纳米金属材料的多级结构制备及优异性能探索研究

项目名称： 纳米金属材料的多级结构制备及优异性

起止年限：依托部门：能探索研究

卢柯 中国科学院金属研究所 2012.1至2016.8 中国科学院

首席科学家：

一、关键科学问题及研究内容

本项目拟解决的关键科学与技术问题包括：多级纳米结构在金属材料中的形成演化规律和制备技术，多级纳米结构金属材料的本征力学性能、塑性变形机制、疲劳损伤机制及结构-性能关系，多级纳米结构金属材料的理化性能特征和综合性能调控途径，多级纳米结构金属材料的结构稳定性特征及其调控途径，多级纳米金属材料的规模化制备技术及工业应用。

针对上述关键科学问题，本项目拟主要针对以下四类典型多级纳米结构金属材料展开研究：

1）纳米孪晶结构：多晶体中所有晶粒或部分晶粒由纳米尺度孪晶结构组成； 2）表层梯度纳米结构：指晶粒尺寸自表及里在空间上呈梯度分布（纳米-亚微米-微米），梯度纳米结构层的厚度超过百微米。

3）纳米多孔结构：由纳米尺度（最小可至3-4 nm）的金属柱和纳米尺度的孔洞交互贯通而成的网络状结构；

4）复相纳米镶嵌结构：指由两种或多种纳米相复合或相互镶嵌而形成的纳米结构。

本项目拟分别选择两类材料作为研究对象，即具有典型结构特征的模型材料和具有普适性的典型工程材料。如表1所示，模型材料主要集中在纯金属和简单合金，如纯Cu、Ni、Fe、Au和单相合金材料Cu-Al合金及Al合金等，通过研究模型材料的微观结构形成和演化机制、微观结构和力学及理化性能、结构稳定性、强韧化机制和损伤机制等，建立多级纳米结构的结构-性能关系和提高综合性能的原理。实用材料主要包括Cu合金、Al合金、奥氏体不锈钢、奥氏体高锰钢、耐热钢、低合金钢等，利用多级纳米材料的结构-性能关系和综合性能优化原理，研究其综合力学及理化性能（如强度、塑性、韧性、导电性、导热性、耐腐性、耐磨性，低温表面合金化以及稳定性等），发展具有优异综合性能的多级纳米结构金属材料并推动其工业应用。主要开展以下工作：

表1： 本项目研究材料结构体系、材料类别及主要目标汇总表 多级结构

模型材料 目标 实用材料 (性能)目标

纳米孪晶结Cu, Cu-Al合金 强韧化机制，损Cu合金 高强、高导电/热； 构 伤机制 奥氏体不锈钢、奥高强、高耐腐性； 结构稳定性 氏体高锰钢 高强、高韧/塑 表层梯度纳米结构 Cu, Ni, Fe，结构形成机制、不锈钢（管材、棒高强、高韧、高疲Cu-Al合金 本征变形机理，材、板材）、碳钢、 劳性能；高耐腐蚀、疲劳及断裂机高Mn钢、耐热钢 耐磨性；低温表面理、扩散和化学合金化 反应机制 Au 微结构形成过Ag、Cu、Ni等金属表面诱发的功能效程，变形机理和以及相应合金 应 强韧化机制 Cu-Al合金 结构稳定性机Al合金 高强高韧 Al合金 制、强韧化机制 低合金钢 高热稳定性 Fe-Zr合金 复相形成机理不锈钢 及变形机制 纳米多孔结构 复相纳米镶嵌结构 1 金属材料多级纳米结构的设计、结构形成原理与演化规律

(1) 针对模型材料，研究金属材料的基本结构-性能关系和宏观性能调控原理，分别设计具有不同特征尺寸、不同空间和成分分布和不同体含量的纳米孪晶结构、表层梯度纳米结构、纳米多孔结构以及复相纳米镶嵌等多级结构，并通过发展制备技术、控制制备工艺，实现多级纳米结构的可控制备。利用多级纳米结构的性能特征，通过分别调控多级结构的特征参数实现对多个宏观性能的优化。 （2） 针对不同的制备方法，研究模型材料的制备原理及结构演化规律，如电解沉积过程中单质Cu的纳米孪晶结构生长热力学和动力学原理；研究塑性变形技术制备的多级纳米金属材料（纯金属、合金及各种钢材）的微观结构纳米化演变过程、组织结构及缺陷的演化规律及组织细化机制，变形孪生及纳米晶粒结构的动力学条件、变形组织中剪切带的形成与演变规律；研究控制相变制备复相纳米镶嵌结构过程中基体和析出相在时效过程中的结构和成分演化规律、析出反应热力学和动力学规律。

2 金属材料多级纳米结构的可控制备技术及工艺优化

针对宏观力学性能和理化性能研究工作的需要，发展各类多级纳米结构金属材料的制备技术和工艺过程。

（1）研究电解沉积过程中沉积参数和电解溶液参数等对纳米孪晶Cu中孪晶尺寸、孪晶密度、取向等的影响；研究动态塑性变形（DPD）过程中应变速率、变形温度及层错能对模型材料（Cu、Cu合金及不锈钢）中纳米孪晶及纳米晶粒组织尺寸、密度、含量和空间分布等的影响；

（2）研究表面机械碾磨处理（SMGT）及表面机械研磨处理（SMAT）过程中工艺参数对Cu、Ni、Cu-Al合金等模型材料表层梯度纳米结构的影响规律。优化工艺条件，研究工艺参数对奥氏体不锈钢和高Mn钢多级纳米结构的形成规律及对强度和韧性的影响。

（3)利用脱合金腐蚀法制备金、铂等贵金属，铜、镍等非贵金属高质量纳米多孔金属样品。研究脱合金腐蚀过程中结构形成和演变规律以及裂纹产生的原因，在非贵金属或合金体系中获得无裂纹、结构尺寸细小可控的高质量样品，并在此基础上构建多级结构。

（4）利用控制相变技术、动态塑性变形、剧烈塑性变形（如HPT等）及后续热/机械处理制备多相纳米复合镶嵌结构。研究纳米Cu-Al合金、 Fe-Zr合金、Al合金中的分解析出反应的规律，阐明纳米材料中高密度缺陷的形成规律以及由此导致的高扩散性和反应活性，研究原位析出反应时沉淀相的形核和析出相及其长大的热力学和动力学规律，实现复相纳米镶嵌结构结构的可控制备。 3 金属材料多级纳米结构的塑性变形机制及综合性能调控

（1）针对几种模型材料（如Cu, Cu-Al合金），系统研究纳米孪晶金属的力学性能（如强度、塑性、加工硬化、疲劳性能及断裂韧性等）、导电性、扩散性能、耐腐蚀性等，建立多级纳米孪晶模型材料的结构-综合力学性能、理化性能的关系。着重研究位错与孪晶界面的交互作用、孪晶界面结构与界面能量的关系，澄清多级纳米孪晶金属材料的塑性变形机理和断裂损伤机理。结合晶格位错理论和原子尺度模拟，系统研究不同结构金属中晶界孪生机制，揭示不同晶界孪生机制所对应的力学响应特征。

（2）针对表层梯度纳米金属模型材料（如Cu, Ni, Fe,Cu-Al合金等）， 研究其如强度、塑性、应变速率敏感性、裂纹萌生、扩展过程及疲劳性能，以及塑性变形所导致的微观结构变化、微区损伤演化、疲劳位错组态变化，揭示位错与晶

界的交互作用；研究梯度纳米晶粒结构的协调变形机理和机械驱动的晶界迁移的过程机制。结合有限元与分子动力学模拟，研究表层梯度纳米金属材料微观结构参量和力学参量的对应关系。研究模型材料的梯度纳米结构表层中合金元素的扩散动力学以及化合反应机制。

（3）以纳米多孔金为模型材料，研究其变形行为和微观机制，澄清结构尺寸、表面状态及位错密度、晶界密度等结构参量对力学行为的影响。优化多级结构实现纳米多孔材料的强韧化，并应用于铜、镍等非贵金属纳米多孔金属材料的制备。 （4）以Cu-Al合金、Al合金、Fe-Zr合金等等为模型材料，研究复相纳米镶嵌结构材料的塑性变形规律，包括第二相颗粒与位错的交互作用、晶界溶质偏聚区对晶界变形的作用机理、相界面附近滑移带、晶体缺陷（位错和孪晶等）的形成与演化规律。探索复相纳米镶嵌结构的本质力学行为和强韧化机理；建立复相纳米镶嵌结构的组织结构参数与其强韧性的关系。

4 金属材料多级纳米结构的稳定性规律及控制途径

通过研究多级纳米金属的结构稳定性，综合分析提高多级纳米结构稳定性的规律及其控制要素，为实现多级纳米结构金属材料的工业应用奠定基础。

(1) 研究纳米孪晶结构中孪晶界面的热稳定性，尤其是孪晶界面结构、孪晶界缺陷种类、密度、分布及孪晶界面能量等对其结构稳定性的影响规律；

(2) 研究表层梯度纳米结构材料在温度场和外力场作用下的结构稳定性和结构失稳规律，着重研究在外力作用下梯度结构中晶界迁移的热力学和动力学机制及其主要控制因素，对比研究梯度纳米结构材料中热驱动晶界迁移过程和机械驱动晶界迁移过程的本质区别与联系。

(3) 研究电化学环境下，金属表面应力变化导致的纳米多孔材料宏观尺寸可逆变化规律及失效特征。

(4) 研究复相纳米镶嵌结构金属材料的结构稳定性原理，界面状态、相及相分布对材料稳定化的影响规律；第二相颗粒钉扎晶界迁移的动力学机理；溶质元素晶界偏聚提高纳米金属热稳定性的热力学和动力学机理。 5 多级纳米结构金属材料的工业应用探索

（1）设计并制备出具有多级纳米孪晶结构的高强高导电/高导热性的Cu合金、高强高韧奥氏体不锈钢和高强高耐腐蚀性的奥氏体高锰钢，并探索这些新型纳米材料在相应工业中的应用。

（2） 设计并制备出高强高韧表层梯度纳米结构的奥氏体不锈钢（管材、棒材、板材等）、碳钢、高锰奥氏体钢等。研究其耐磨性、耐腐蚀性以及耐热钢低温表面合金化（如渗铝）过程中的反应扩散机制，为提高其耐腐蚀和抗氧化能力提供理论指导；探索高强高韧纳米结构钢在汽车防撞击吸能器上的应用，发展多级纳米材料的超高性能汽车防撞击吸能器的新型设计和动态模拟计算方法。

（3） 发展基于铜、镍等材料的廉价高性能纳米多孔金属驱动器。探索纳米多孔金属材料的新功能应用。

（4） 设计并制备出具有高强高韧、高稳定性的复相纳米镶嵌结构Al合金、低合金钢和不锈钢等，探索其在汽车、石化及机械工业中的应用。

二、预期目标

总体研究目标：

发展和完善多级纳米结构的制备技术及工艺方法，发现其结构形成及演化规律；研究多级纳米结构的塑性变形微观机理和本征力学性能；澄清几种多级纳米金属材料的结构-理化性能关系，提出综合性能优化策略；阐明多级纳米结构的稳定性规律，发展结构稳定化的有效途径，将部分性能优异的多级纳米结构应用于工程材料，并探索其工业应用前景。

五年预期目标：

（1）设计并制备出四类多级纳米结构金属材料（纳米孪晶、表层纳米梯度结构、纳米多孔、复相纳米镶嵌结构）。以单质金属和简单合金为模型材料，探索多级纳米结构形成、演变规律以及控制因素，优化工艺参量，实现对多级纳米结构制备的有效调控。

（2）研究不同类型多级纳米结构金属材料的强度、塑性/韧性、疲劳性能等力学性能及结构-力学性能关系，澄清各性能的主要结构控制因素；通过多级纳米结构设计在单质和简单合金上实现综合力学性能的控制，建立多级纳米结构金属材料综合力学性能优化的新方法，并在多种材料中获得优异综合力学性能。 （3）在部分金属材料中获得不同多级纳米结构对导电性等物理性能和耐腐蚀性等化学性能的影响规律，建立其结构-理化性能关系；阐明多级纳米结构金属材料中的扩散和化合反应机制；在一种或多种材料体系中实现综合力学-理化性能的优化（如高强高导、高强高耐腐性等），发展优化多级纳米结构金属材料综合性能的理化方法。

（4）深入研究纳米尺度晶体塑性变形的微观机理，单级和多级纳米结构的变形过程和结构演变规律；深入理解各种纳米结构中位错的形核和增殖、位错-界面交互作用、界面在力、热及变形条件下的结构稳定性等基础科学问题。 （5）在不锈钢等常用工程材料中制备出具有多级纳米结构的样品，实现力学和

理化综合性能提高。针对几种不同工程材料，根据其应用背景和实际要求，优化多级纳米结构设计和制备工艺，提高其综合性能并探索其工业化应用。 （6）做出一批高水平科研成果，在高水平国际期刊发表SCI论文150-180篇，申请专利10-15项；培养优秀青年人才，预计培养博士研究生25~30名，硕士研究生10名。

三、研究方案

一．学术思路

具有均匀单相单级纳米结构的金属材料往往具备某些十分突出性能，但另一些性能急剧恶化，成为纳米金属材料走向工业应用的“短板”。如何提高纳米金属材料的综合性能，充分利用纳米材料的优异性能提升工业制品的性能已成为金属纳米材料研究和发展的重大瓶颈问题，这是本项目研究的切入点和着眼点。针对这一重大问题，本项目引入多级纳米结构的概念，通过结构设计制备出具有多个结构层次和多个结构特征尺度的多级纳米结构材料，为金属材料的整体综合性能提高提供了新的思路。

本项目拟以单质金属或简单合金为模型材料，进行多级纳米结构设计和样品制备技术探索和结构演变规律、结构-性能关系及结构稳定性探索研究；利用这些研究结果，发展出提高金属材料综合性能的多级结构设计原理和综合性能优化途径，继而将多级纳米结构设计原理和技术应用于几类重要工程材料，探索其实际工业应用。

二、技术途径

针对不同的多级纳米结构，本项目将采用多种方法制备多级结构金属材料样品：采用电解沉积技术制备不同晶粒尺寸、孪晶密度和择优取向的单质金属Cu 或合金薄膜纳米孪晶结构样品；采用DPD技术处理Cu、Cu-Al 合金，奥氏体不锈钢、奥氏体高锰钢等以获得块状纳米孪晶结构样品；利用SMAT和SMGT技术在Cu、Ni、Cu-Al合金、以及不锈钢等工程材料表面制备梯度纳米结构；利用电化学脱合金腐蚀方法制备纳米多孔结构，并通过控制电化学环境和母合金状态调控材料结构；复相镶嵌纳米结构则通过过饱和固溶体合金进行塑性变形及后续热变形处理制备得到，通过控制固溶体成分和状态、时效处理的温度和时间等实现对材料结构的调控。

利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和高分辨透

射电镜（HRTEM）表征多级结构金属样品不同层次的结构特征；利用电子背散射衍射技术（EBSD）表征显微组织织构和晶粒之间取向关系；用能谱仪（EDX）来检测材料的成分及分布；用X射线衍射技术（XRD）进行相、结构和晶体缺陷分析；利用二次离子质谱（SIMS）、三维原子探针技术(3DAP)和能量损失谱(EELS)等技术研究溶质原子成分分布和析出相的成分及分布特征 (晶界，晶内，位错)；利用示差扫描量热技术（DSC）和示差扫描热膨胀仪（DIL）研究相变过程热力学和动力学过程、晶粒长大动力学过程以及结构失稳过程。

对不同多级纳米结构材料，利用拉伸、压缩、纳米压痕实验等方法研究材料的强度、硬度、塑性的力学性能以及加工硬化指数、应变速率敏感指数等材料变形的特征参数；测量材料的疲劳和断裂韧性等性能。部分材料的变形行为研究分别在电化学环境下或透射电镜观察下原位进行。用SEM 观察断口表面形貌、TEM 分析样品变形前后微观结构特征。研究多级纳米孪晶金属Cu、Cu合金的导电性、奥氏体不锈钢的耐腐蚀性等。研究纳米多孔金属的电化学控制可逆伸缩等性能。

利用计算模拟技术研究多级纳米结构的变形机制和结构-性能关系，计算模拟方法包括基于DFT的第一原理计算、分子动力学模拟以及微动弹性带（NEB）方法。

对工程材料也用上述方法进行纳米结构制备和表征及力学性能测试，并进行低温表面化学处理等工艺探索。同时还研究多级纳米结构在常温或高温下、加载和变形过程中的结构变化和稳定性。将具有优异综合性能的结构应用于工程构件，并在真实服役条件下检验其性能及可靠性。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/deu2.html