金屬材料的強化是材料科學(xué)的核心問題。細(xì)化晶粒是一種提高材料強度的有效方式，大量晶界阻礙位錯運動，強度顯著提升。孿晶強化作為另一種重要策略，通過低能共格界面有效阻礙位錯運動，已在金屬、半導(dǎo)體及陶瓷中得到驗證。然而，當(dāng)這些結(jié)構(gòu)的尺寸降至 10-15 nm時，晶界滑移、遷移等行為主導(dǎo)塑性變形過程，孿晶界在應(yīng)力或溫度作用下易退孿生，導(dǎo)致材料出現(xiàn)“尺寸軟化”。突破這一瓶頸，進一步提升金屬材料強度接近理論極限，亟需發(fā)展新的強化策略。
在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項和國家自然科學(xué)基金杰出青年基金等項目資助下，中國科學(xué)院金屬研究所李秀艷研究員、盧柯院士與遼寧材料實驗室研究團隊合作，創(chuàng)新性提出并實現(xiàn)了“納米負(fù)能界面”強化新策略，在鎳基合金中成功構(gòu)筑極高密度穩(wěn)定界面，顯著提升材料剛度，使材料強度逼近理論極限。相關(guān)成果以“納米負(fù)能界面強化鎳基合金（Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy）”為題，于2025年11月6日發(fā)表于《Science》雜志上。
研究團隊通過電化學(xué)沉積結(jié)合非晶晶化方法，在Ni(Mo)過飽和固溶體中構(gòu)筑了高密度納米孿晶和層錯（圖A）。球差校正透射電鏡揭示出晶粒內(nèi)部由面心立方(ABCABC)與密排六方(ABAB)交替堆垛的高密度穩(wěn)定界面，層片間距最小僅約0.7 nm。密度泛函理論計算結(jié)果（圖B）顯示，ABCABC/ABAB界面為“負(fù)能界面”（?8.7至?19.5 mJ/m2），具有本征的熱力學(xué)穩(wěn)定性。微柱壓縮實驗（圖C）顯示，該材料在加載過程中保持完全彈性響應(yīng)，屈服強度高達(dá)5.08 GPa，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)納米晶與納米孿晶鎳基材料，接近理論強度極限。與此同時，楊氏模量隨負(fù)能界面密度升高顯著提升，最高達(dá)254.5 GPa（圖D），超過相同成分的非晶態(tài)與金屬間化合物。負(fù)能界面的形成不僅阻礙位錯滑移與晶界遷移，還通過界面區(qū)域電子密度重排增強了原子鍵合剛度，實現(xiàn)了強度與剛度的同步提升。從Ashby強度-模量關(guān)系圖（圖E）可見，納米負(fù)能界面Ni(Mo)合金的強度位于E/40–E/50區(qū)間，接近理論強度，與陶瓷材料相當(dāng)。根據(jù)密度泛函理論計算，其他鎳基二元體系（如Ni-W、Ta、Nb、Mn和V）共格界面也具有負(fù)過剩能。納米“負(fù)能界面”強化策略可廣泛應(yīng)用于多種材料體系。此項突破性成果的核心價值在于，它首次揭示了通過構(gòu)筑極限尺度的穩(wěn)定“負(fù)能界面”，可以有效調(diào)控晶體材料的原子鍵合狀態(tài)，從而同時實現(xiàn)材料強度和模量的跨越式提升。這不僅是金屬強化理論的重大革新，也為未來設(shè)計開發(fā)接近理論強度極限的新一代超強超穩(wěn)金屬材料提供了全新的科學(xué)原理和技術(shù)路徑。
通過在鎳基過飽和固溶體合金中構(gòu)筑極高密度穩(wěn)定的“負(fù)能界面” (A,B)， 有效阻礙位錯及界面運動，完全抑制塑性變形，顯著提升楊氏模量(C,D)，提升材料強度接近理論極限
