4月16日出版的最新一期美國《科學(xué)》雜志發(fā)表了中國科學(xué)院金屬所盧柯院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的最新成果：采用納米尺寸的生長孿晶強(qiáng)化金屬的新途徑獲得了同時具有超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的銅�！犊茖W(xué)》雜志的評審人認(rèn)為，利用納米尺寸孿晶實現(xiàn)純銅的超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性是一個十分重要的突破，這是其它任何強(qiáng)化技術(shù)無法達(dá)到的。它“再次用極為漂亮的實驗結(jié)果演示，通過在納米尺度上的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以從本質(zhì)上優(yōu)化材料的性能和功用”。
他介紹說，工業(yè)中應(yīng)用的導(dǎo)電材料絕大多數(shù)是各種金屬和合金材料。強(qiáng)度和導(dǎo)電性是導(dǎo)體金屬材料兩個至關(guān)重要的性能，工業(yè)應(yīng)用中往往需要導(dǎo)體材料同時具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。例如導(dǎo)電磁鐵線圈中的導(dǎo)線既要承受巨大的電磁作用力，又要保持較低電阻以降低電流導(dǎo)致的溫度升高。高強(qiáng)度高導(dǎo)電性是超導(dǎo)磁鐵中導(dǎo)線必不可少的重要性能。
然而，在常規(guī)金屬材料中這兩種性能往往相互抵觸，不可兼得。純金屬（如銀、銅、鋁等）具有很高的導(dǎo)電率，但都很軟，強(qiáng)度極低（均小于100MPａ）。通過多種強(qiáng)化手段可以提高金屬的強(qiáng)度，如合金化（添加合金元素），晶粒細(xì)化或加工強(qiáng)化，但這些強(qiáng)化技術(shù)往往導(dǎo)致金屬材料電導(dǎo)率大幅度降低。例如，使純銅合金化能使其強(qiáng)度提高2～3倍，但獲得的銅合金的電導(dǎo)率只有純銅的10％～40％。
這種現(xiàn)象的出現(xiàn)自有其深層原因。固體強(qiáng)度取決于其對塑性變形的抵抗能力，這種能力又與固體的化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。常規(guī)多晶金屬的塑性變形主要由單個晶粒的點陣位錯引起。基于此，很多提高金屬強(qiáng)度的方法都著眼于限制這種位錯運動。比如，晶粒細(xì)化就是引入更多晶界，讓晶界成為晶粒間位錯運動的阻礙；加工強(qiáng)化引入大量位錯來鎖住進(jìn)一步的位錯運動。這些強(qiáng)化技術(shù)本質(zhì)上是在材料中引入各種缺陷，而這些缺陷會顯著增大對電子的散射，從而降低導(dǎo)電性能。因此，實現(xiàn)金屬材料的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性是一項長期以來有待解決的重大科學(xué)難題。
為解決這一難題，中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家實驗室開展了深入的研究工作，認(rèn)為要獲得兼具高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的金屬，關(guān)鍵在于找到一種適宜的微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既能鎖住位錯運動又能最大限度地減少對傳導(dǎo)電子的散射。他們將視線投向一種特殊的晶界——孿晶界。盧柯解釋說，孿晶界是一種低能共格晶界，它能夠有效地阻礙位錯運動并吸收部分位錯，因此可以起到與普通晶界相似的強(qiáng)化作用。但是共格孿晶界對電子的散射能力極小，其電阻值比普通晶界的電阻低一個數(shù)量級。因此，通過引入大量孿晶界（即制備出高密度納米尺寸生長孿晶）可以大幅度提高材料的強(qiáng)度而對其電導(dǎo)特性無明顯影響。
研究人員采用脈沖電解沉積技術(shù)制備出具有高密度納米尺寸生長孿晶的純銅薄膜，通過工藝過程研究調(diào)整樣品的晶粒尺寸、孿晶厚度及分布、織構(gòu)狀態(tài)等，獲得了具有超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的純銅樣品，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1068MPａ（是普通純銅的十倍以上，達(dá)到高強(qiáng)度鋼或銅晶須的強(qiáng)度水平），而室溫電導(dǎo)率與無氧高導(dǎo)（OFHC）銅相當(dāng)。這種超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的同時獲得是過去在任何材料中均無法實現(xiàn)的。
利用納米孿晶獲得超高強(qiáng)度高導(dǎo)電性銅不但為材料的強(qiáng)化技術(shù)和高強(qiáng)高導(dǎo)材料的研制開辟了一個新領(lǐng)域，而且將對相關(guān)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重要推動作用，如超導(dǎo)磁鐵技術(shù)、電力傳輸系統(tǒng)、機(jī)電裝備及微機(jī)電系統(tǒng)等。此項成果也將對納米材料技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
他介紹說，工業(yè)中應(yīng)用的導(dǎo)電材料絕大多數(shù)是各種金屬和合金材料。強(qiáng)度和導(dǎo)電性是導(dǎo)體金屬材料兩個至關(guān)重要的性能，工業(yè)應(yīng)用中往往需要導(dǎo)體材料同時具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。例如導(dǎo)電磁鐵線圈中的導(dǎo)線既要承受巨大的電磁作用力，又要保持較低電阻以降低電流導(dǎo)致的溫度升高。高強(qiáng)度高導(dǎo)電性是超導(dǎo)磁鐵中導(dǎo)線必不可少的重要性能。
然而，在常規(guī)金屬材料中這兩種性能往往相互抵觸，不可兼得。純金屬（如銀、銅、鋁等）具有很高的導(dǎo)電率，但都很軟，強(qiáng)度極低（均小于100MPａ）。通過多種強(qiáng)化手段可以提高金屬的強(qiáng)度，如合金化（添加合金元素），晶粒細(xì)化或加工強(qiáng)化，但這些強(qiáng)化技術(shù)往往導(dǎo)致金屬材料電導(dǎo)率大幅度降低。例如，使純銅合金化能使其強(qiáng)度提高2～3倍，但獲得的銅合金的電導(dǎo)率只有純銅的10％～40％。
這種現(xiàn)象的出現(xiàn)自有其深層原因。固體強(qiáng)度取決于其對塑性變形的抵抗能力，這種能力又與固體的化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。常規(guī)多晶金屬的塑性變形主要由單個晶粒的點陣位錯引起。基于此，很多提高金屬強(qiáng)度的方法都著眼于限制這種位錯運動。比如，晶粒細(xì)化就是引入更多晶界，讓晶界成為晶粒間位錯運動的阻礙；加工強(qiáng)化引入大量位錯來鎖住進(jìn)一步的位錯運動。這些強(qiáng)化技術(shù)本質(zhì)上是在材料中引入各種缺陷，而這些缺陷會顯著增大對電子的散射，從而降低導(dǎo)電性能。因此，實現(xiàn)金屬材料的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性是一項長期以來有待解決的重大科學(xué)難題。
為解決這一難題，中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家實驗室開展了深入的研究工作，認(rèn)為要獲得兼具高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的金屬，關(guān)鍵在于找到一種適宜的微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既能鎖住位錯運動又能最大限度地減少對傳導(dǎo)電子的散射。他們將視線投向一種特殊的晶界——孿晶界。盧柯解釋說，孿晶界是一種低能共格晶界，它能夠有效地阻礙位錯運動并吸收部分位錯，因此可以起到與普通晶界相似的強(qiáng)化作用。但是共格孿晶界對電子的散射能力極小，其電阻值比普通晶界的電阻低一個數(shù)量級。因此，通過引入大量孿晶界（即制備出高密度納米尺寸生長孿晶）可以大幅度提高材料的強(qiáng)度而對其電導(dǎo)特性無明顯影響。
研究人員采用脈沖電解沉積技術(shù)制備出具有高密度納米尺寸生長孿晶的純銅薄膜，通過工藝過程研究調(diào)整樣品的晶粒尺寸、孿晶厚度及分布、織構(gòu)狀態(tài)等，獲得了具有超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的純銅樣品，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1068MPａ（是普通純銅的十倍以上，達(dá)到高強(qiáng)度鋼或銅晶須的強(qiáng)度水平），而室溫電導(dǎo)率與無氧高導(dǎo)（OFHC）銅相當(dāng)。這種超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的同時獲得是過去在任何材料中均無法實現(xiàn)的。
利用納米孿晶獲得超高強(qiáng)度高導(dǎo)電性銅不但為材料的強(qiáng)化技術(shù)和高強(qiáng)高導(dǎo)材料的研制開辟了一個新領(lǐng)域，而且將對相關(guān)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重要推動作用，如超導(dǎo)磁鐵技術(shù)、電力傳輸系統(tǒng)、機(jī)電裝備及微機(jī)電系統(tǒng)等。此項成果也將對納米材料技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
