近日，南方科技大學材料科學與工程系教授任富增課題組在納米材料頂刊Nano Letters上發表題目為“Dual-Nano Composite Design with Grain Boundary Segregation for Enhanced Strength and Plasticity in CoCrNi-CuZr Thin Films”的研究論文，研究發現通過引入高密度納米孿晶和非晶-納米晶雙重納米復合結構耦合界面元素偏析，可以有效解決高強度納米結構材料中的應變局域化問題，為實現高強度和大塑性協同提供了新思路。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c04755

在金屬材料中實現超高強度和大的均勻塑性變形是材料科學領域的重大挑戰。相關研究發現，晶粒細化和非晶化等手段可以強化金屬材料，然而這些納米結構材料或非晶合金通常出現應變局域化的問題，限制了塑性變形能力。該研究團隊通過引入高密度納米孿晶和納米晶-非晶復合結構，可以有效解決高強度納米結構材料中的應變局域化問題。此外，界面元素偏析通過降低界面能進一步提高變形穩定性。本研究提出了一種設計策略，將納米孿晶、納米晶-非晶復合結構和界面偏析相結合，以提高納米結構材料的強度和變形穩定性，進而協同提升金屬材料的強塑性。

基于此，任富增課題組選擇具有低層錯能合金作為基體，以促進高密度納米孿晶的形成，并引入與基體合金元素之間正混合焓的非晶第二相，從而誘導非晶相的形成和界面元素偏析，構筑高密度納米孿晶和非晶-納米晶雙重納米復合結構并耦合界面偏析，以期實現對合金薄膜強塑性的協同提升。

該研究選用低層錯能CoCrNi和非晶CuZr合金靶材，利用磁控共濺射技術，通過優化濺射工藝參數，成功制備出(CoCrNi)91(CuZr)9復合薄膜，系統研究了其微觀結構、力學性能和變形機理。結果發現，制備的(CoCrNi)91(CuZr)9合金薄膜呈典型的柱狀納米結構（寬度為67.4 ± 25.7 nm），柱狀納米結構內部包含了納米晶-非晶雙相結構（非晶占~10%），其中晶態相為密排立方（hcp）相以及面心立方（fcc）相，晶態相中包含高密度納米孿晶和層錯。平均孿晶間距為0.80 nm，非晶相平均直徑為3.39 nm，界面存在明顯的Cr元素偏析（圖1）。

圖1. 雙重納米復合結構設計示意圖（a）和(CoCrNi)91(CuZr)9合金薄膜微觀結構（b-g）與成分（h）表征

微柱壓縮實驗表明，雙重納米復合結構的(CoCrNi)91(CuZr)9薄膜屈服強度高達4.0±0.2 GPa，比納米晶CoCrNi提高了18%，比非晶態CuZr提高了67%，強化作用顯著，同時實現了超過30%的均勻變形，抑制了納米晶CoCrNi和非晶態CuZr中出現的應變局域化現象（圖2）。基于變形后的微觀組織分析和變形過程力學響應的有限元模擬，闡明該雙重納米復合結構的變形機制。隨加載過程進行，在納米晶區域納米孿晶密度減小，層錯增加，然后通過層錯的相互作用形成 L-C 鎖。同時，柱狀納米晶和富Cr界面在外圍區域發生彎曲，芯部區域發生晶粒細化進一步增加界面體積分數，并伴隨納米尺度非晶相的塑性流變，提供持續的應變硬化。在這一過程中，高密度納米孿晶、柱狀界面和納米晶-非晶界面阻礙了位錯運動并均勻分散應力，有助于提高材料的屈服強度和均勻變形能力，富Cr界面通過降低界面能提高變形穩定性（圖3）。

圖2. 非晶CuZr、納米晶CoCrNi和雙重納米復合結構(CoCrNi)91(CuZr)9薄膜的微柱壓縮應力應變曲線（a）和變形前后形貌（b-d）

圖3. 雙重納米復合結構(CoCrNi)91(CuZr)9薄膜在力學響應中的有限元模擬（a）和變形機制示意圖（b）

另外，通過大變形量納米壓痕測試和截面微觀結構分析進一步驗證了該雙重納米復合結構設計帶來的優異協同變形能力（圖4）。該研究提出的雙重納米復合結構策略有望推廣至其他合金體系，以開發高強度、大塑性及持續應變硬化的先進金屬材料。

圖4. 非晶CuZr、納米晶CoCrNi、雙重納米復合結構(CoCrNi)91(CuZr)9薄膜的納米壓痕表面形貌（a）和測試后 (CoCrNi)91(CuZr)9薄膜截面微觀結構（b-g）

任富增教授課題組博士生莊啟明和博士后梁釘山為論文共同第一作者，任富增教授為論文唯一通訊作者；南方科技大學為論文第一單位和通訊單位。本項研究得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金和廣東省基礎與應用基礎研究基金的資助以及南科大公共分析測試中心的技術支持。