梯度納米結構是指材料的結構單元尺寸(如晶粒尺寸或層片厚度)在空間上呈梯度變化,從納米尺度連續增加到宏觀尺度。自然界中這種梯度結構無處不在。近來，微觀結構梯度的概念被越來越多地應用於工程材料中。鑑於其獨特的變形機制，梯度結構材料普遍表現出較好的強度、硬度、加工硬化及抗疲勞性能等。但如何理解結構梯度對力學性能的影響規律長期以來面臨巨大挑戰。其原因之一是現有技術很難製備出結構梯度精確可調控的塊體材料，如表面加工或機械處理技術所獲樣品梯度層體積分數及結構梯度均有限，從而嚴重限制了人們對梯度結構金屬內在梯度與力學性能相關性以及其本徵變形機制的理解。
最近，中國科學院金屬研究所盧磊研究員課題組和美國布朗大學高華健教授研究組合作在這一領域取得突破性進展。他們發現增加結構梯度可實現梯度納米孿晶結構材料強度和加工硬化的協同提高，甚至可超過梯度微觀結構中最強的部分。梯度納米孿晶強化的概念結合了多尺度結構梯度，進一步提高了材料的強度極限，並為發展新一代高強度/延性金屬材料提供了新思路。
研究人員利用直流電解沉積技術，通過調節電解液溫度，實現孿晶片層厚度和晶粒尺寸沿樣品厚度的梯度變化，獲得結構梯度定量可控的納米孿晶銅材料。隨結構梯度增加，梯度納米孿晶銅強度和加工硬化率同步提高；結構梯度足夠大時，梯度材料的強度甚至超過了梯度微觀結構中最強的部分。這種獨特的強化行為在其它均勻、非均勻微觀結構中均未觀察到。微觀結構分析與分子動力學計算模擬結合發現，梯度納米孿晶銅額外的強化和加工硬化歸因於梯度結構約束而產生的大量幾何必需位錯富集束。這些位錯富集束在變形初期形成，沿著梯度方向均勻分布在晶粒內部。這種均勻分布的位錯束結構與均勻結構材料中隨機分布的統計儲存位錯結構截然不同。具有超高位錯密度的位錯富集束變形過程中通過阻礙位錯運動、有效抑制晶界應變局域化從而提高梯度納米孿晶結構的強度和加工硬化。
該研究獲得國家自然科學基金委國際合作重點項目、科技部國家重點基礎研究發展計劃、中國科學院前沿科學重點研究等項目資助。該成果發表在《Science》（《科學》）周刊（2018年11月1日在線Advance Online Publication (AOP) on Science's website）。
（中國日報遼寧記者站）