上海大學《Nature》子刊：獨辟蹊徑！實現3.6GPa屈服、超50%塑性的納米晶金屬材料

納米金屬材料憑借其獨特的微觀結構，為先進核能系統提供了革命性的解決方案。其內部海量的晶界如同一個高效的“智能防御系統”，能顯著增強材料的抗輻照損傷能力，抑制腫脹與氦脆，同時賦予其更高的強度。這些核心優勢使其成為開發更安全、更耐用、性能更卓越的未來核反應堆（尤其是聚變堆和第四代裂變堆）關鍵部件（如包殼和結構材料）的極具潛力的候選者。然而，當材料的晶粒尺寸減小至20納米以下時，經典的晶粒細化強化機制不再適用，出現所謂的“反霍爾-佩奇效應”，導致材料強度不增反降，并伴隨著塑性急劇惡化，致使強度與塑性之間呈現嚴重倒置關系。這一長期存在的科學難題與技術瓶頸，嚴重制約了納米金屬材料的工程應用。

在此背景下，上海大學核電關鍵材料全國重點實驗室固定成員卞西磊副研究員指導2024級博士研究生俞瀟龍，在納米尺度（晶粒尺寸小于20納米）核電用關鍵金屬材料強韌化領域取得重要研究進展。相關成果以“Oxygen nanoclustering evades inverse Hall-Petch softening”為題，在線發表于國際頂級學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications 16, 10602 (2025)）（影響因子：15.7）。同行評議中，兩位審稿人分別給予高度評價：“a piece of quite comprehensive work”（一個非常全面的工作）；“presents an interesting and intriguing finding”（呈現了一個有趣且引人入勝的發現）。該研究工作由上海大學聯合西安交通大學、奧地利科學院Erich Schmid材料研究所、香港城市大學及北京科技大學等多家單位合作完成。上海大學為論文第一完成單位和通訊單位。上海大學材料科學與工程學院2024級博士生俞瀟龍論文為第一作者，上海大學卞西磊副研究員、王剛教授、王慶研究員和西安交通大學劉暢教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66181-1

研究團隊獨辟蹊徑，選擇CoCrNi中熵合金為基體，采用磁控濺射技術引入大量間隙氧原子，成功制備出平均晶粒尺寸僅為3納米的(CoCrNi)87O13模型合金。研究發現，氧原子在合金中并非均勻分布或形成脆性氧化物，而是自發形成了納米尺度的富（Cr, O）團簇。這些富氧團簇通過“晶內-晶界”聯動機制，同步提升強度與韌性：一方面，晶內團簇通過釘扎位錯并促進其增殖，實現強化；另一方面，氧原子在變形中被拖曳至晶界富集，通過增強鍵合并降低晶界能來穩定界面，從而抑制了晶粒粗化、晶界滑移及剪切帶的形成，實現韌化（圖1）。

圖1. “氧納米團簇”設計策略示意圖及微觀結構表征

得益于這一獨特的“氧納米團簇”結構，該3納米晶粒尺寸的合金同時實現了約3.6 GPa的超高屈服強度和超過50%的均勻壓縮塑性，成功規避了“反霍爾-佩奇軟化”，其綜合性能顯著優于目前已報道的各類面心立方納米金屬材料，突破了當前金屬材料的強塑性極限（圖2）。更重要的是，該策略在FeCrNi-O和HfNbTiZr-O等多種合金體系中均展現出良好的普適性，證實了“氧納米團簇”可作為一種通用的納米材料強韌化設計新范式。

圖2. CoCrNi-O合金力學性能

該研究成果不僅為設計兼具超高強度和大塑性的納米結構材料提供了全新的、通用的設計策略，而且顛覆了“大量氧元素導致金屬脆化”的傳統認知，在極端工況下要求抗輻照、高強韌性的核反應堆關鍵材料等領域具有廣闊的應用前景。

本工作是上海大學核電關鍵材料全國重點實驗室無序合金團隊在納米結構材料設計研究領域的系列突破之一，得到了國家自然科學基金（52171159）、上海市自然科學基金（22ZR1422500）、上海市科技創新行動計劃（No. 24CL2901500）、上海市探索者計劃（No. 25TS1401900）、中國載人航天工程空間應用系統（KJZ-YY-NCL08）等項目的大力支持。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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