魅力尽展：梯度纳米结构材料

对于材料从业人员而言，提高材料性能的有效方法包括细晶强化、固溶强化、弥散强化、变形强化（位错强化）等手段，但是材料的强度和塑性总是一对看似矛盾的因素，在提高材料强度的同时也会伴随着其塑性的降低。相对于其他强化手段，只有细晶强化既可以提高材料的强度又可以使其塑性得到改善。因此，材料领域的科研人员总是试图通过各种方法细化材料晶粒，期望得到综合性能优异的晶体材料。

目前，我们得到的综合性能良好的材料晶粒尺寸依然维持在微米级，虽然曾经火热一时的纳米材料晶粒达到了纳米，但很奇怪的是，纳米级尺寸晶粒在让材料得到足够高强度的同时并没有使材料兼具极高的塑性，相反，纳米晶体结构材料的塑性极低，甚至比微米级尺寸的晶体材料还低。

通常而言，工程结构材料的理想性能通常是高强度和高韧塑性，然而强度与韧塑性往往不可兼得。高强材料的塑性往往很差，而具有良好塑性的材料其强度很低。比如，纳米金属材料（即晶粒尺寸在纳米尺度的多晶金属）是一种典型的高强材料，其强度比普通金属高一个量级，但其几乎没有拉伸塑性。因此，如何提高纳米金属的塑性和韧性也成为近年国际材料领域的一项重大难题。不过，高强低塑的现象怪圈似乎不再是阻碍材料科学进步的壁垒。梯度纳米结构材料站在材料科学领域的前沿，让众多的材料科研学者对新材料未来充满了希望。

纳米结构材料(nanostructured materials)是指结构单元尺度(如多晶材料中的晶粒尺寸)在纳米量级的材料, 其显著结构特点是含有大量晶界或其他界面, 从而表现出一些与普通粗晶结构材料截然不同的力学和物理化学性能。过去几十余年的研究表明, 纳米结构材料通常具有很高的强度和硬度, 在不改变材料化学成分的前提下, 结构纳米化可使材料的强度和硬度高达同等成分粗晶材料的数倍甚至数十倍, 是发展高强度材料的一种新途径。 然而, 伴随着强度和硬度的显著提高, 纳米结构材料的塑性和韧性显著降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差, 这些性能的恶化制约了纳米结构材料的应用和发展。

研究表明, 通过对纳米结构的多级构筑(architecture)可以在有效克服纳米结构的性能缺点的同时发挥其性能优势, 梯度纳米结构便是其中的一种重要构筑类型. 梯度纳米结构是指材料的结构单元尺寸(如晶粒尺寸或层片厚度)在空间上呈梯度变化,从纳米尺度连续增加到宏观尺度。或者说, 材料的一部分由纳米结构组成,一部分由粗晶结构组成, 这两部分之间结构单元尺寸呈梯度连续变化。梯度纳米结构的实质是晶界(或其他界面)密度在空间上呈梯度变化, 因此对应着许多物理化学性能在空间上的梯度变化。结构尺寸的梯度变化有别于不同特征尺寸结构(如纳米晶粒、亚微米晶粒、粗晶粒)的简单混合或复合, 有效避免了结构特征尺寸突变引起的性能突变, 可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调, 同时表现出各特征尺寸所对应的多种作用机制,使材料的整体性能和使役行为得到优化和提高。

材料的许多性能随结构单元特征尺度变化而变化, 当结构单元尺度降低到纳米量级时性能变化会十分显著。例如, 金属材料的强度随晶粒尺寸的减小而提高, 当减小到纳米量级时强度提升异常显著, 如上图所示。与梯度微米结构(由微米尺度增大到宏观尺度)相比, 梯度纳米结构所对应的强度变化范围会有很大的拓宽, 因而可实现强度的大范围调控。此外, 由于纳米结构材料具有一些独特的理化性能, 如高扩散速率和化学反应活性等, 这也赋予了梯度纳米结构一些全新的功能特性。因此, 梯度纳米结构材料成为近年来的新研究热点。

在相同化学成分和相组成的情况下, 梯度纳米结构可有以下4种基本类型,如图2所示：

(1)梯度纳米晶粒结构: 结构单元为等轴状(或近似等轴状)晶粒,晶粒尺寸由纳米至宏观尺度呈梯度变化(图a)；

(2)梯度纳米孪晶结构: 晶粒中存在亚结构—孪晶,晶粒尺寸均匀分布, 而其中的孪晶/基体层片厚度由纳米至宏观尺度梯度变化(图b)；

(3)梯度纳米层片结构: 结构单元为二维层片状晶粒,层片厚度由纳米至宏观尺度呈梯度变化(图c)；

(4)梯度纳米柱状结构: 结构单元为一维柱状晶粒,柱状晶粒直径由纳米至宏观尺度呈梯度变化(图d)；

上述4种结构类型中可以有不同的界面结构, 如大角晶界、小角晶界、孪晶界等。这些基本结构中两种或多种结构相复合可形成复合梯度纳米结构, 如梯度纳米晶粒结构与梯度纳米孪晶结构的复合结构, 既存在晶粒尺寸梯度, 也有孪晶密度梯度, 即晶界密度和孪晶界密度同时呈梯度变化。当化学成分和相组成发生变化时, 形成的复合梯度纳米结构更为复杂, 如具有化学成分梯度变化的梯度纳米晶粒结构, 具有相组成梯度变化的梯度纳米结构(相界面密度梯度变化)等。在316不锈钢中形成的由马氏体相和奥氏体相组成的呈梯度分布的纳米晶粒结构便是其中的一个实例。

材料中梯度纳米结构有不同的存在形式。大多数情况下, 纳米结构部分处于材料表面, 粗晶结构处于材料内部, 这种梯度纳米结构表层可以充分发挥纳米结构的许多优异性能, 大幅度提高块体材料表面性能以及许多表面结构敏感性能。也可以将纳米结构部分置于材料内部, 粗晶结构在材料表面, 这种构型也可能表现出一些独特的性能, 但目前研究工作不多。

参考文献：卢柯. 梯度纳米结构材料, 金属学报 51 (2015) 1-10

作者王小强 ，材料牛专栏作者， 微信Maggeing（加微信注明“公司-姓名-职位”，以便备注）。

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