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“金屬材料通常具有優(yōu)異的強(qiáng)度、塑性及導(dǎo)電性，但眾所周知，這三種性能互相排斥，就像魚(yú)和熊掌，難以兼得?！?南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授操振華介紹說(shuō)。如何同時(shí)提高金屬材料的三種性能，消減性能間的制約，一直是金屬材料領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。近日，操振華團(tuán)隊(duì)研究出新方法可同時(shí)提高納米結(jié)構(gòu)金屬材料的強(qiáng)度、塑性和導(dǎo)電性。這一全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可有效推廣到其他金屬體系。

金屬材料廣泛應(yīng)用于海洋、航空航天、建筑、汽車(chē)及微電子等領(lǐng)域，是推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性材料。在金屬的應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)論是強(qiáng)度還是塑性，如果達(dá)不到要求，都可能造成事故，比如,建設(shè)的橋梁容易斷裂，汽車(chē)減震功能大打折扣，電腦和手機(jī)等精密儀器容易出現(xiàn)死機(jī)、卡頓等情況……金屬材料中強(qiáng)度與塑性“倒置關(guān)系”這一“普適性”科學(xué)問(wèn)題同樣存在于納米結(jié)構(gòu)金屬中。隨著金屬材料晶粒尺寸或幾何尺寸減小至微納米尺度，納米金屬?gòu)?qiáng)度顯著提升，由于受納米尺度空間的約束，導(dǎo)致其缺乏應(yīng)變硬化能力，塑性下降。

納米金屬薄膜是手機(jī)芯片、電腦CPU的微電子器件與微機(jī)電系統(tǒng)主要組元材料之一，設(shè)計(jì)制備出高強(qiáng)度高塑性納米金屬，并建立微納米材料性能變異的新理論和新方法是信息、電子及納米等技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。“由于超深亞微米加工技術(shù)不斷突破，電子元器件按照Moore定律的預(yù)測(cè)不斷微型化發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)手機(jī)和電腦的微型化和智能化。而其中用到的金屬Cu作為新一代微電子器件中重要的互聯(lián)材料，其特征尺度也降低至10nm以下，由此導(dǎo)致其力學(xué)特性的顯著變化會(huì)影響微電子微器件使用性能與工作壽命?！辈僬袢A補(bǔ)充說(shuō)道。

“我們以納米金屬Cu為研究對(duì)象，采用‘bottom-up’方法，即利用直流磁控濺射技術(shù)，在金屬Cu膜中引入超薄的金屬Ta層，尺寸近似等于晶界的厚度，即起到類(lèi)似‘人工晶界’的作用?！辈僬袢A在分享他的科研思路時(shí)說(shuō)，“通過(guò)調(diào)節(jié)Ta層的間距，從而獲得具有梯度晶粒與等尺寸晶粒的兩種層狀結(jié)構(gòu)金屬?gòu)?fù)合薄膜，采用納米壓痕與原位壓縮測(cè)試力學(xué)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬?gòu)?fù)合薄膜的屈服強(qiáng)度和均勻塑性應(yīng)變最高分別達(dá)到1GPa和70%。”操振華團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)、美國(guó)普渡大學(xué)等合作，成功設(shè)計(jì)出兼具高強(qiáng)度與高塑性的納米結(jié)構(gòu)金屬材料，同時(shí)發(fā)現(xiàn)梯度晶粒金屬展現(xiàn)出硬化指數(shù)為1的線(xiàn)性應(yīng)變硬化行為。

為了進(jìn)一步揭示材料強(qiáng)化的內(nèi)部機(jī)制，操振華采用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了其塑性變形過(guò)程。由于該金屬薄膜的表面為大晶粒尺寸，約280nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬Cu電子散射自由程（39nm），可以預(yù)見(jiàn)該薄膜表面具有良好的導(dǎo)電性。據(jù)透露，這一全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可以有效推廣到其他金屬體系，也為高性能納米金屬的設(shè)計(jì)與制備開(kāi)辟了新思路。（張小晴）

責(zé)編：褚贊贊 安曉光

《中國(guó)建材報(bào)》2020年6月8日  http://www.cbmd.cn/actrice/8027.html

《學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)》2020年6月8日  https://article.xuexi.cn/articles/index.html?art_id=3591340446962134257&t=1591526004494&study_style_id=feeds_default&showmenu=false&pid=&ptype=-1&source=share&share_to=wx_single