4月16日出版的最新一期美國《科學》雜志發(fā)表了中國科學院金屬所盧柯院士領(lǐng)導的研究小組的最新成果：采用納米尺寸的生長孿晶強化金屬的新途徑獲得了同時具有超高強度和高導電性的銅。《科學》雜志的評審人認為，利用納米尺寸孿晶實現(xiàn)純銅的超高強度和高導電性是一個十分重要的突破，這是其它任何強化技術(shù)無法達到的。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)中應用的導電材料絕大多數(shù)是各種金屬和合金材料。強度和導電性是導體金屬材料兩個至關(guān)重要的性能，工業(yè)應用中往往需要導體材料同時具有高強度和高導電性。例如導電磁鐵線圈中的導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致的溫度升高。高強度高導電性是超導磁鐵中導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）具有很高的導電率，但都很軟，強度極低（均小于100MPａ）。通過多種強化手段可以提高金屬的強度，如合金化（添加合金元素），晶粒細化或加工強化，但這些強化技術(shù)往往導致金屬材料電導率大幅度降低。例如，使純銅合金化能使其強度提高2～3倍，但獲得的銅合金的電導率只有純銅的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，很多提高金屬強度的方法都著眼于限制這種位錯運動。比如，晶粒細化就是引入更多晶界，讓晶界成為晶粒間位錯運動的阻礙；加工強化引入大量位錯來鎖住進一步的位錯運動。這些強化技術(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，從而降低導電性能。因此，實現(xiàn)金屬材料的高強度和高導電性是一項長期以來有待解決的重大科學難題。
為解決這一難題，中科院金屬研究所沈陽材料科學國家實驗室開展了深入的研究工作，認為要獲得兼具高強度和高導電性的金屬，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度而對其電導特性無明顯影響。
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，獲得了具有超高強度和高導電性的純銅樣品，其拉伸強度高達1068MPａ（是普通純銅的十倍以上，達到高強度鋼或銅晶須的強度水平），而室溫電導率與無氧高導（OFHC）銅相當。這種超高強度和高導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度高導電性銅不但為材料的強化技術(shù)和高強高導材料的研制開辟了一個新領(lǐng)域，而且將對相關(guān)工業(yè)應用領(lǐng)域產(chǎn)生重要推動作用，如超導磁鐵技術(shù)、電力傳輸系統(tǒng)、機電裝備及微機電系統(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)中應用的導電材料絕大多數(shù)是各種金屬和合金材料。強度和導電性是導體金屬材料兩個至關(guān)重要的性能，工業(yè)應用中往往需要導體材料同時具有高強度和高導電性。例如導電磁鐵線圈中的導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致的溫度升高。高強度高導電性是超導磁鐵中導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）具有很高的導電率，但都很軟，強度極低（均小于100MPａ）。通過多種強化手段可以提高金屬的強度，如合金化（添加合金元素），晶粒細化或加工強化，但這些強化技術(shù)往往導致金屬材料電導率大幅度降低。例如，使純銅合金化能使其強度提高2～3倍，但獲得的銅合金的電導率只有純銅的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，很多提高金屬強度的方法都著眼于限制這種位錯運動。比如，晶粒細化就是引入更多晶界，讓晶界成為晶粒間位錯運動的阻礙；加工強化引入大量位錯來鎖住進一步的位錯運動。這些強化技術(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，從而降低導電性能。因此，實現(xiàn)金屬材料的高強度和高導電性是一項長期以來有待解決的重大科學難題。
為解決這一難題，中科院金屬研究所沈陽材料科學國家實驗室開展了深入的研究工作，認為要獲得兼具高強度和高導電性的金屬，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度而對其電導特性無明顯影響。
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，獲得了具有超高強度和高導電性的純銅樣品，其拉伸強度高達1068MPａ（是普通純銅的十倍以上，達到高強度鋼或銅晶須的強度水平），而室溫電導率與無氧高導（OFHC）銅相當。這種超高強度和高導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度高導電性銅不但為材料的強化技術(shù)和高強高導材料的研制開辟了一個新領(lǐng)域，而且將對相關(guān)工業(yè)應用領(lǐng)域產(chǎn)生重要推動作用，如超導磁鐵技術(shù)、電力傳輸系統(tǒng)、機電裝備及微機電系統(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。
