Acta Mater.：“鱼翅”与“熊掌”兼得的多级纳米孪晶材料

【引言】

材料科学工作者们为提高材料力学性能付出了诸多努力，但是材料在强度提高的同时总是伴随塑性下降，这就是我们熟悉的强度-塑性倒置关系。因此，如何提高材料的综合力学性能仍然是材料科学领域的研究热点。

【成果简介】

近日，香港城市大学-中国科学院纳米材料与力学联合实验室的吕坚教授与卢柯教授课题组合作研制的多级纳米孪晶结构在大幅提高材料强度的同时保持了很好的塑性，相关研究工作以“High-order hierarchical nanotwins with superior strength and ductility”为题发表在Acta Materialia上，文章第一作者为刘晓伟博士，通讯作者为吕坚教授。该研究在纯金属银材料中成功制备得五级纳米孪晶结构，并首次从晶体学的角度系统地分析了各级纳米孪晶之间的相互关系。此外，结合分子动力学模拟，该工作清晰地表示了多级纳米孪晶结构的空间分布状态。通过对多级纳米孪晶结构纯银材料的力学性能测试，该工作研究表明：在材料强度大幅提高的同时塑性只有少许下降。与其他结构的不同之处在于，多级纳米孪晶结构具有能明显的提高材料综合力学性能的优势。通过构建模型，该工作分析了材料内形成多级纳米孪晶结构的条件，为人们进一步提高材料力学性能的提供理论依据。

【图文导读】

图1. 多级纳米孪晶结构表征及晶体学分析

（a）典型的纳米孪晶结构及对应的衍射斑点；
（b）二级纳米孪晶结构及对应的二级衍射斑点；
（c）三级纳米孪晶结构，红蓝粉色箭头分别标示了一到三级纳米孪晶的方向，左下角插图标示出了该三级纳米孪晶之间的夹角；
（d）四级纳米孪晶结构，红蓝粉黄分别标示了一到四级各级纳米孪晶的方向，左下角插图标示出来了各级孪晶之间的夹角；
（e，f）分子动力学模拟的三级纳米孪晶结构的原子结构分布；
（g，h）分子动力学模拟的四级纳米孪晶结构的原子结构分布。

图2. 多级纳米孪晶结构的高分辨图像及五级纳米孪晶形貌

（a）三级纳米孪晶的高分辨原子结构图像，红蓝粉色圆圈表征了所在区域的原子分布，对应折线表示孪晶的形成过程；
（b，c）原子层错排形成孪晶的具体过程的示意图；
（d）五级孪晶的低倍TEM表征；
（e）与图（d）中对应的方框区域的高倍TEM图像。

图3. 多级纳米孪晶结构的力学性能

（a）不同处理条件下获得的不同结构的银材料的力学性能表征；
（b）与其他先进结构材料的综合力学性能进行比较。

图4. 分子动力学模拟多级纳米孪晶的形态分布

 图中绿色和黄色放大区域分别对应二级和三级纳米孪晶在一级纳米孪晶两边的分布状态。粉色放大区域展示了分位错扩展下的二级纳米孪晶形成过程及细节。

【文献信息】

文献链接：High-order hierarchical nanotwins with superior strength and ductility(Acta Mater. 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.01.047).

本文由吕坚教授课题组提供，特此感谢！

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