科技日报记者 张蕴
12日，记者从辽宁材料实验室获悉，该实验室与中国科学院金属研究所联合研究团队近日取得重大技术突破——在金属中发现“负能界面”，成功实现亚纳米结构合金强化，使材料强度逼近理论极限的同时，显著提升弹性模量。这种极限尺度稳定界面能够改变晶格的原子键合状态，从而大幅度提升性能，为下一代高性能金属材料的设计开辟了全新的维度。这一重要发现标志着金属材料的结构调控进入到亚纳米尺度，相关成果于11月6日发表在国际顶级期刊《科学》上。
提高金属强度是长期以来材料领域的核心研究目标，通过结构细化到纳米尺度形成高密度界面是金属的一种主要强化途径。近几十年来，世界各国一直致力于探索稳定的界面结构，发展制备技术，持续细化金属结构。卢柯研究员带领团队利用稳定的低能孪晶界在金属铜中获得纳米孪晶结构，使铜的强度提升10倍以上并保持高导电性。然而，当孪晶层片厚度低于约10纳米时，孪晶结构失稳导致材料软化，结构无法进一步细化。如何突破尺寸极限，持续提升金属强度成为一项重大难题。
辽宁材料实验室党委副书记、副主任李秀艳在接受科技日报记者专访时介绍，卢柯研究员团队长期致力于金属材料结构调控与性能突破研究，2018年首次发现当纳米金属的晶粒小于70纳米时，晶界能量下降，结构稳定性不降反升，颠覆传统“纳米晶粒越小越不稳定”的认知。2020年，团队进一步探索晶粒尺寸极限，将纯铜晶粒细化至4—5纳米时，发现材料转变为一种新结构，晶界呈现三维周期性极小面特征，将其命名为“受限晶体”。在最新研究中，团队聚焦尺度更小的界面结构（平均0.7纳米/3—4原子层）。
“我们通过电化学沉积结合非晶化方法，发现在Ni-Mo合金中存在一种过剩能为负的界面，比孪晶界面更加稳定，并显著提升了合金的强度和弹性模量。”李秀艳说，该研究不仅突破了现有材料理论的认知，首次证实界面过剩能可以为负，而且在Ni-W等其他材料体系也发现了亚纳米“负能界面”强化效应。相关合金已取得中试成果，有望推动我国高精密耐磨部件的技术升级。
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