纳米晶金属（平均晶粒尺寸小于100 nm）由于其高的强度和物理化学性能，被广泛应用于微电子系统、集成微电机系统、纳米器件、光刻机、表面工程和生物医学等领域。然而随着晶粒尺寸减小到纳米尺度，材料的加工硬化率非常低，导致纳米晶金属拉伸延展性不足，容易出现裂纹和灾难性的破坏。此外，纳米晶界的高能状态还会造成热稳定性低和导电性差的问题。
nc-Cu复合材料的强化和硬化机制
通过一种或多种元素的合金化方法虽然能够有效解决纳米晶体金属在热稳定性、加工硬化能力和低延展性方面的问题，但往往伴随着高成本和导电性的进一步降低；另外一种纳米复合材料方法虽然可以实现强度、热稳定性和电导率同步提高，然而第二相往往会沿着GBs聚集或分布，造成局部应力集中，出现界面脱粘和过早失效。如何同时提高金属材料的强度、延展性以及导电性，消减性能之间的制约，一直以来是金属材料领域的研究难点。
近日，广东省科学院新材料研究所材料基因工程团队联合上海交通大学、美国佐治亚理工学院、德国凯泽斯劳滕工业大学，报告了一种“纳米粒子分散在纳米晶粒中”的策略，实现了均匀高密度的碳纳米粒子的粒内分散，从而增强金属复合材料的机械性能、热稳定性以及导电性。
研究团队将碳纳米颗粒（粒径为2.6±1.2 nm）引入到纳米晶铜（颗粒大小为63±16 nm），这种颗粒内的纳米分散使纳米碳的两级硬化机制成为可能，从而提高强度和延展性。细致分散的纳米颗粒不仅可以放大金属纳米晶粒的强化效果，而且还通过位错-金属纳米晶粒激活了多种硬化机制，从而使纳米晶的高强度、加工硬化和拉伸延展性得到独特的组合。此外，这些精细分散的纳米粒子还使金属纳米复合材料的热稳定性和导电性大大增强。研究人员还使用同样的方法来生产具有出色性能的纳米镍复合材料，强调了纳米分散技术的普遍适用性，可广泛用于制造超强度、韧性和稳定的金属纳米复合材料。
本项工作的实验部分由上海交通大学张荻教授团队负责，美国佐治亚理工学院朱廷教授团队、省科学院新材料所材料基因工程团队张志波高级工程师和德国凯泽斯劳滕工业大学Urbassek教授联合开展了材料多尺度计算工作。
研究成果以“A nanodispersion-in-nanograins strategy for ultra-strong, ductile and stable metal nanocomposites”为题发表于国际著名期刊Nature Communications上，省科学院新材料所为第三单位团队，张志波为论文第三作者。
（省科学院新材料研究所/供稿）
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