5.4　作者在该领域的学术思想及主要研究成果

针对传统强化机制往往导致材料强度（塑性、韧性、导电性）等力学、理化性能“倒置关系”这一材料领域重大科学难题，作者及其研究团队长期围绕纳米孪晶结构金属材料的力学性能及变形机制，取得诸多原创性成果。实现微观尺度上纳米结构的可控制备是获得金属材料本征力学性能的首要条件，也是深入理解其结构-性能关系的关键。长期以来，本团队在纳米结构材料微观设计及可控制备方面开展了大量研究，已成功实现纳米孪晶层片厚度、长度及其取向的可控调节。尤其是块体择优取向纳米孪晶结构的可控制备为后续深入理解其变形机制及设计高强、高韧、高加工硬化及抗疲劳损伤的纳米金属奠定了坚实的基础。此外，作者及其研究团队在强韧化及使役机理上也倾注了大量时间和精力，发现当加载方向与孪晶界面呈特殊角度时，多晶纳米孪晶结构会表现出仅在单晶材料中才观察到的单滑移位错变形模式，即纳米孪晶结构塑性变形的各向异性，进而通过简单改变加载方向，实现纳米孪晶结构材料力学性能和变形机制的可控调节。在优化多尺度微观结构的设计以及精准调控和制备的基础上，通过实验与计算模拟结合，揭示了具有超细孪晶片层纯铜样品的极值强度和超高加工硬化是由传统的位错塞积和运动强化机制转变为由不全位错形核及运动主导的软化机制。“纳米孪晶铜极值强度的形成机制”获2009年中国基础研究十大新闻。

后续研究发现，单滑移主导的位错往复运动不仅承担了纳米孪晶结构循环变形时产生的大量累积塑性应变，且不会造成纳米孪晶和晶界结构处的损伤累积，实现了纳米孪晶结构金属在变应变幅条件下与历史无关的循环稳定响应特征；通过对比均匀纳米孪晶结构中单滑移位错模式和双梯度纳米孪晶结构中复杂位错结构也为澄清双梯度纳米孪晶结构中额外强化与加工硬化等效应奠定了理论基础。

作者主要代表性研究成果：

① 提出纳米孪晶强化材料的概念，在纯铜中实现高强度高导电性。采用脉冲电解沉积技术制备出具有高密度纳米尺寸生长孪晶的纯铜薄膜，发现其拉伸强度高达1068 MPa（是普通纯铜的十倍以上，达到高强度钢或铜晶须的强度水平），而室温电导率与无氧高导铜相当（97% IACS）[20]。首次在实验上证实纳米共格孪晶界面可在纯铜中实现超高强度和高导电性。纳米孪晶结构的超高强度和高塑性源于纳米尺度孪晶界与位错的独特相互作用：高密度纳米孪晶界面不仅可有效阻碍位错运动提高强度，同时亦可吸纳和存储高密度位错，提高塑性和改善加工硬化能力。由于共格孪晶界对电子的散射能力极小，纳米孪晶结构对电导特性无明显影响。

与合作者共同提出利用纳米尺度共格界面强韧化材料的新原理[14]。提出具有优异综合力学性能的界面应具备三个关键结构特征：界面与基体之间具有晶体学共格关系；具有良好的热稳定性和机械稳定性；结构特征尺寸在纳米量级。该强化途径在提高工程材料综合性能方面表现出巨大的发展潜力和广阔的应用前景。纳米尺度共格孪晶界面强韧化的研究思想引领了国际纳米材料的研究并带动了相关先进材料与技术的研发。

② 发现了纳米孪晶金属中的极值强度和超高加工硬化效应。采用脉冲沉积技术在纯铜样品中成功地获得高密度、极小尺寸纳米孪晶结构（最小孪晶片层为4nm）。当孪晶片层厚度为15 nm时，材料强度达到最大值。进一步减小孪晶片层，强度逐渐下降，但塑性和加工硬化能力大幅持续增加，并超过传统材料加工硬化系数的上限，表现出超高加工硬化能力[21]。通过实验与计算模拟结合，发现该极值强度与晶粒尺寸相关，即晶粒尺寸越小，临界孪晶片层尺寸也越小，从而材料的极值强度越高，揭示了由传统的位错塞积和运动强化机制转变为由不全位错形核及运动而主导的软化机制[22]。

③ 澄清了孪晶微观结构参数（如晶粒尺寸、孪晶片层厚度等）以及加载条件（加载取向、温度和应变速率等）对力学性能和变形机理的影响规律。发现随孪晶层片厚度减小，材料的强度和拉伸塑性同步提高，突破了传统强化技术导致材料塑性及导电性降低的窘局。另外，增大晶粒尺寸、增加应变速率和降低变形温度等均有利于提高纳米孪晶材料的加工硬化能力和强度塑性匹配。成功揭示了纳米孪晶结构的塑性变形主要由三种不同滑移系类型位错协调，即位错塞积并穿过孪晶界，肖特基孪生不全位错形核并沿孪晶界面滑移，以及受限于孪晶片层内的贯穿位错运动。以上三种变形机制对纳米孪晶金属的强度、塑性和加工硬化的贡献各不相同。通过改变加载轴相对于孪晶界的方向，在同一样品中可实现这三种变形机制的可控变换，诠释了材料内部变形机制及宏观性能的可控调节机制[27，28]。

④ 发现了纳米孪晶金属与历史无关的循环稳定响应行为。针对如何减小或抑制金属结构材料循环变形过程中应变局域化和不可逆损伤这一限制抗疲劳损伤材料发展的重大瓶颈问题，作者团队系统研究了纳米孪晶金属在交变载荷作用下的疲劳性能及机理。发现了单滑移主导的位错行为承担纳米孪晶结构的循环塑性变形，且疲劳过程中不影响纳米孪晶和晶界结构的稳定，未产生明显的损伤累积，与传统单晶、粗晶和纳米结构金属严重疲劳损伤截然不同。纳米孪晶结构独特的循环变形行为贡献了其优异的综合疲劳性能：高疲劳极限、长疲劳寿命以及与疲劳历史无关的稳定循环响应特征，为发展抗疲劳损伤的高性能工程金属材料提供了新思路[29-31]。

⑤ 发现了双梯度纳米孪晶金属中的额外强化与加工硬化。首次利用直流电解沉积技术获得结构梯度定量可控的纳米孪晶铜材料，其强度和加工硬化率随结构梯度增加同步提高。当结构梯度足够大时，梯度材料的强度甚至超过了梯度微观结构中最强的部分。这种独特的强化行为在其他均匀、非均匀微观结构中均未观察到。这主要归因于在初始变形阶段因结构梯度而产生的大量几何必需位错富集束，沿着梯度方向均匀分布在晶粒内部，不仅有效阻碍位错运动，同时还抑制晶界应变局域化[66]。梯度纳米孪晶强化的概念结合了多尺度结构梯度，进一步提高了材料的强度极限。

以上研究不断丰富和拓宽了人们对纳米孪晶材料本征力学性能和变形机理的认识。这种基于多尺度微观结构的空间设计、构筑和可控制备实现材料综合性能提高的极具启发性的学术思想，丰富了国际纳米材料的研究并带动了相关先进材料与技术的研发，也为发展新一代高性能材料提供了新范式。