金屬頂刊《Acta Materialia》:三維界面,大幅提升納米金屬複合材料...

2020-11-22 網易新聞

編輯推薦：本文研究了含二維和三維界面的Cu/Nb納米複合材料的結構和變形行為。發現三維界面複合材料能夠在提升強度的同時不降低塑性，屈服強度和抗拉強度可以分別提高50%和22%，為設計具有高強度而不降低塑性的材料提供了新思路。

現有研究已經證實，金屬納米複合材料的機械性能比相應粗晶粒的金屬更高，納米複合材料的整體性能可以通過控制界面的原子結構進行定製。在過去的十年中，研究主要集中在二維(2D)界面對材料性能的影響。二維界面是不連續的原子尖銳邊界，在微觀結構和材料性能上存在突變。實驗研究表明，具有尖銳界面的納米結構比其單晶成分強幾個數量級。但是尖銳界面在增加強度的同時使塑性降低。為了解決這方面問題已有研究3D界面的報導，但是對三維界面對納米複合材料性能的影響機制仍不明確。

美國北卡羅來納大學的研究人員以Cu和Nb為基，探討了含二維和三維界面的Cu/Nb納米複合材料的結構和變形行為，三維界面複合材料能夠在提升強度的同時不降低塑性，為抑制納米層狀複合材料的剪切不穩定性提供了新的設計路徑。相關論文以題為「Effects of three-dimensional Cu/Nb interfaces on strengthening and shear banding in nanoscale metallic multilayers」發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.019

本研究製備的納米層狀複合材料，每個純Cu和純Nb層厚度均為40nm，3D界面區厚度平均約10nm。具有3D界面的複合材料比普通2D Cu/Nb複合材料屈服強度和抗拉強度分別提高了50%和22%，2D和3D複合材料壓縮時的塑性不穩定性均在約14%應變下出現。由於2D和3D Cu/Nb的晶體學取向在界面上的差異是相同的，因此它們會有相同的失配位錯。而在3D Cu/Nb界面中，位錯將分布在整個3D界面厚度上，而不是局限在二維Cu/Nb複合材料的界面平面內。

性能差異主要由界面結構導致，界面結構能夠影響界面與位錯之間的相互作用。在2D Cu/Nb中，位錯傾向於界面的失配位錯形核，失配位錯網具有應力集中的作用；相比之下三維界面上的應力集中更加分散，因此需要更高的應力才能在從3D界面發射位錯，最終導致3D Cu/Nb複合材料屈服強度更高。在3DCu/Nb界面內，剪切帶傾向較2D界面低，也有助於強度提升，剪切帶可以用局部旋轉模型和幾何變化及相關晶體學的實驗觀察來解釋。本研究中剪切帶的剪切應變為1.36，說明位錯穿過剪切帶中的每個原子層。

圖5 HRTEM圖顯示3D界面處的高密度位錯

圖7 位錯滑移引起的剪切和界面平面旋轉

總之，本文研究了含二維和三維界面的Cu/Nb納米複合材料的結構和變形行為。三維界面為控制界面結構提供了廣闊的空間，本文為設計具有增強強度而不降低塑性的材料提供新的思路，為研究增強力學行為提供了新的途徑。（文：破風）

特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺「網易號」用戶上傳並發布，本平臺僅提供信息存儲服務。

相關焦點

  • 金屬頂刊《Acta Materialia》:金屬陶瓷雙相材料表面損傷新機制!
    金屬陶瓷兼具陶瓷相的高硬度和粘結相的高韌性，被作為鑽頭、刀具材料廣泛應用於海底勘探、盾構機、金屬加工等關鍵工程領域。近年來，我國海洋開發、高端製造等重大工程逐步實施，苛刻環境（如高溫、磨損、侵蝕等）下的表面損傷與防護成為機械部件與材料在設計、製造和使用過程中的研究重點。
  • 金屬頂刊《ACTA》：抗壓強度達46GPa！突破金屬材料記錄
    這就是為什麼在一些不同無機材料的原始單晶樣品中觀察到超高強度的原因，例如金屬、半導體和陶瓷。這些新的超強韌材料(如納米粒子和納米晶須)可以作為複合材料的強化添加劑、塗料和潤滑劑的添加劑得到廣泛應用。為了能夠開發基於超強微觀單晶元件的新材料和體系，應該更好地理解它們的變形行為和強度上限的規律。
  • 河工大：加點石墨烯，顯著提升金屬層狀複合材料強韌性
    層狀金屬基材料通過藉助各組元層的複合效應、增強相的尺寸效應和界面效應，可實現材料的高性能化及功能化。其中Cu/Ni層狀金屬複合材料已廣泛應用於燃料電池系統、換熱系統、微型電池負極材料容器系統。但是傳統Cu/Ni層狀複合材料在熱軋複合成型過程中，由於高溫狀態下Cu和Ni原子在界面處的擴散速率差別，會導致柯肯達爾孔洞發生。這一直限制著置換互溶體系的層狀金屬複合材料的研發和應用。
  • 河工大:加點石墨烯,顯著提升金屬層狀複合材料強韌性
    層狀金屬基材料通過藉助各組元層的複合效應、增強相的尺寸效應和界面效應，可實現材料的高性能化及功能化。其中Cu/Ni層狀金屬複合材料已廣泛應用於燃料電池系統、換熱系統、微型電池負極材料容器系統。但是傳統Cu/Ni層狀複合材料在熱軋複合成型過程中，由於高溫狀態下Cu和Ni原子在界面處的擴散速率差別，會導致柯肯達爾孔洞發生。這一直限制著置換互溶體系的層狀金屬複合材料的研發和應用。
  • 金屬頂刊《ACTA》:闡明了!微合金化鐵素體鋼中相界面析出強化機制!
    微觀結構由佔主導的多邊形鐵素體（平均晶粒尺寸為4±3μm）和高密度的納米尺寸盤狀沉澱物（直徑2~4nm，最厚的地方1±0.4nm）組成。V、Cr、Nb微合金化鋼中出現了相界纖維碳化物。在界面析出相之間和行間的鐵素體基體中可以觀察到團簇的形成。
  • 戰略研究丨金屬基複合材料的發展機遇和挑戰
    通過合理的設計，金屬基複合材料可以發揮出增強體和基體各自的性能優勢，獲得「合金」材料所不具備的特殊性能，如比強度、比剛度、低膨脹、高導熱、耐高溫等，但在塑性等指標方面有所損失。美國國家航空航天局（NASA）於1963年首次研發了金屬基複合材料。界面反應控制、製備工藝是金屬基複合材料的關鍵技術。新一代裝備技術的提升，對基礎材料的性能要求愈加苛刻。
  • 河工大《MSEA》加點石墨烯,顯著提升金屬層狀複合材料強韌性!
    層狀金屬基材料通過藉助各組元層的複合效應、增強相的尺寸效應和界面效應，可實現材料的高性能化及功能化。其中Cu/Ni層狀金屬複合材料已廣泛應用於燃料電池系統、換熱系統、微型電池負極材料容器系統。但是傳統Cu/Ni層狀複合材料在熱軋複合成型過程中，由於高溫狀態下Cu和Ni原子在界面處的擴散速率差別，會導致柯肯達爾孔洞發生。這一直限制著置換互溶體系的層狀金屬複合材料的研發和應用。
  • 【納米】超長金屬納米線
    近日，加州大學洛杉磯分校的李曉春教授團隊通過對金屬材料進行納米顆粒摻雜，實現了一種超長金屬納米線的製備，該工藝大大突破了以往高通量金屬微納米線製造的極限，成功實現了超1.8 × 106長寬比、170納米尺寸金屬線高通量製備。
  • 頂刊《Acta Materi》揭示熱處理對AM鈦合金力學性能的影響機制
    雷射天地導讀：鈦合金是一種戰略金屬，在航空航天、化工醫療等領域具有非常重要的應用。其中Ti6Al4V合金（Ti64）是鈦合金中應用範圍最為廣泛的鈦合金。 採用LPBF技術對鈦合金進行增材製造具有傳統方法所不可比擬的優勢。從而使得SLM技術在航空航天、醫療等領域得到密切的關注和青睞。
  • 上海交大團隊在納米複合晶界韌化高強金屬方向取得重要進展
    該研究由上海交通大學、清華大學與美國布朗大學合作完成，通訊作者為上海交通大學金屬基複合材料國家重點實驗室張荻教授、郭強特別研究員以及清華大學工程力學系李曉雁副教授，合作者還包括美國布朗大學工程學院高華健院士。
  • 4篇頂刊：華東師大在金屬有機框架MOF組裝領域系列重要進展
    相關工作從方法、原理、結構及應用等多個方面開展了創新研究，為MOF基複合材料的設計開發提供了新思路。MOF是一類由金屬離子或團簇和有機配體連接而成的多孔晶體材料，具有優異的物理化學性質，在吸附分離、傳感、異相催化、能源轉化及藥物傳遞等眾多領域備受矚目。
  • 廣工大《Carbon》：三維蜂窩狀複合材料，優異的電磁波吸收性能
    在吸波材料中使用的金屬氧化物主要包括SnO2，二氧化鈦，γ- Fe2O3，Fe3O4等。SnO2不是磁性的，主要是產生介電損耗。同樣，二氧化鈦也不是磁性的。在許多金屬氧化物中，Fe3O4由於其亞鐵磁性、適中的飽和磁化強度和強自旋極化的特點成為最有潛力的電磁波吸收材料。
  • 【中國科學報】金屬基複合材料的國產化之路
    一個多月前，高分十一號衛星發射成功，中國科學院金屬研究所研發的金屬基複合材料發揮了重要作用。眾所周知，太空飛行器對材料的要求十分苛刻，比如輕量化就是其中一項指標，金屬基複合材料恰好符合需求。金屬所研究員馬宗義帶領團隊，致力於高性能金屬基複合材料的研究，近5年來，為遙感、風雲、高分、嫦娥、北鬥、東風、天宮、龍舟等十幾個關鍵型號，提供複合材料產品百餘批次、萬餘件。
  • 西北工大發表頂刊綜述：金屬材料在高應變速率下的剪切局部化
    近日，西北工業大學閆娜教授和美國加利福尼亞大學、中科院金屬所合作在材料領域頂刊綜述期刊「Progress in Materials Science」IF=31.56上發表題為「Shear Localization in Metallic Materials at High Strain Rates」的長篇綜述論文。
  • 業內標準抱殘守缺 納米金屬胎死腹中?
    納米金屬有助於為車輛減重、提升其強度，通過對材料內化學元素所佔比例進行微調，進而影響最終產品的性能。　　微合金化　　　　　　若元素的配比因素如此重要，怎樣才能改變金屬特性呢？　　另一個示例是：少量的鈮（niobium）及釩（vanadium）可提升表面的硬度，進而提升耐磨損能力，即所謂的碳氨共滲（carbonitriding）。對顆粒尺寸、形狀進行精煉、提升少量合金添加物的散布來珩磨（hone）金屬，可提升其金屬特性。此外，在某些情況下，微合金化無需退火（annealing）。
  • 天大封偉團隊「綜述」：聚合物基三維連續網絡的導熱複合材料
    如何大幅提高導熱材料的熱導率一直是熱管理材料行業的技術痛點，也是促進消費電子、5G設備、高功率晶片、集成電路、電池等突破功率限制的關鍵。由於傳統導熱材料如金屬、無機導熱材料存在質量大、柔性差等缺點，導熱聚合物的應用正在不斷向高導熱材料領域滲透。
  • 分子尺度解析鐵電聚合物納米複合材料的界面效應
    實驗和理論結構均表明填料-聚合物基體的界面對鐵電聚合物納米複合材料的介電，壓電，熱電和電卡性能的調控具有決定性作用。比如，通過適當的界面設計來調控納米複合材料的電極化，可以使其超過單純陶瓷或聚合物的電極化。
  • 一組圖帶你了解金屬材料表面的三維形貌表徵應用
    尤其金屬材料的表面易於形成氧化層，改變了金屬原本的特性，其表面對材料整體性能具有決定性的影響,金屬材料的磨損、腐蝕、斷裂等,無不與金屬材料的表面密切相關。本文將通過一組圖片帶您了解金屬材料表面的三維形貌表徵應用實例。材料常見失效形式的表面形貌表徵金屬材料的機械性能是零件的設計和選材時的主要依據。
  • 新型過渡金屬納米複合材料榮獲江西省自然科學獎一等獎​
    其中，江西師範大學盧章輝教授帶領的團隊設計併合成的一新型過渡金屬納米複合材料榮獲省自然科學獎一等獎。江西師範大學盧章輝教授帶領的80後團隊針對硼基和氮基化學儲氫材料，設計併合成了一系列新型過渡金屬納米複合材料，用於儲氫材料高效催化產氫。此次科技獎勵大會上，盧章輝團隊的這一成果獲省自然科學獎一等獎。「科研人員唯有專注，堅持在一個研究方向做深做透，才可能攀登科學高峰。」盧章輝說。
  • 金屬頂刊《ACTA》：首次發現！新型鎂合金，強度堪比低碳鋼
    鎂(Mg)作為最輕的結構金屬，在汽車車身上的潛在應用已引起廣泛關注。然而，較差的室溫力學性能和高的加工成本阻礙了工業加工Mg合金薄板的廣泛應用，如Mg-3Al-1Zn-0.3Mn (wt.%) (AZ31)和Mg-1Zn-0.2Ce (wt.%) (ZE10)。AZ31合金片材屈服強度約為200MPa，足以作為汽車車身片材。