西安交大材料頂刊綜述：晶體-非晶納米雙相合金實現超高強度與大塑性均勻形變

更高的強度和更大的塑性是結構材料研究的永恒目標。晶粒細化和非晶化是提高合金強度的兩種有效途徑，但它們仍有一定局限性。通過將晶粒尺寸減小到納米級，合金的屈服強度可以顯著提高到約E/100（E為材料的楊氏模量）。然而，由于其晶界的力學不穩定性，使得延伸率大幅降低（<5 %）。通過結構非晶化，形成金屬玻璃，合金的屈服強度可以進一步提高到約E/50。然而，金屬玻璃在屈服后的剪切帶軟化效應，導致其室溫塑性幾乎為零。

用納米尺寸的非晶相取代多晶材料中的晶界以構建晶體-非晶納米雙相(CG-NDP)結構，為同時提高金屬材料的強度和塑性提供了一種有效的合金結構設計策略。這種結構構型顯著增加了晶體相中位錯運動的應力勢壘，從而將屈服強度大幅提升至近理論值（~E/30到 ~E/20，例如一種3.3 GPa鎂基合金Mg-Cu-Y，一種4.1 GPa多主元合金CrCoNi-Fe-Si-B，一種1.7 GPa鋁合金Al-Ni-Y (Nature 545, 80 (2017)；Adv. Mater. 32, 2002619 (2020)); Nat. Commun. 10, 5099 (2019)）。此外，納米非晶相的全局塑性流變行為在此極小尺寸下被激活，進而促進晶體-非晶界面處的位錯發射。部分位錯穿過晶體相并被對側的晶體-非晶界面吸收，呈現出位錯連續發射、運動和湮滅的過程。另有一部分位錯在晶體相內部積累，從而促進應變硬化。這些變形機制可使材料在壓縮和拉伸條件下均能實現較大的均勻塑性變形。

近日，西安交大金屬材料強度全國重點實驗室、微納尺度材料行為研究中心（CAMP-Nano）吳戈教授-單智偉教授團隊綜述了CG-NDP合金的最新研究進展，該工作以“Crystal-glass nano-dual-phase alloys achieve ultrahigh strength and large homogeneous plastic deformation”為題發表在材料頂級期刊Advanced Materials。博士生張彥寧為論文第一作者，吳戈教授和單智偉教授為論文通訊作者。

論文連接：

http://doi.org/10.1002/adma.202517926

該工作系統總結了CG-NDP合金的制備方法、變形機制和其作為高性能耐磨涂層和電化學催化劑的應用。

圖1CG-NDP合金的制造策略、力學性能、變形機制和相關應用的示意圖

1、制備方法

根據薄膜和塊體材料顯著的尺寸特征，分別介紹了它們的制備方法。

①薄膜。制備方法主要包括物理氣相沉積、液-固熔體淬火和激光表面處理三種技術手段。物理氣相沉積中的磁控濺射方法因其精確的尺寸控制和成分靈活性，成為制備CG-NDP合金薄膜的首選方法。該技術可以制備出致密且結構均勻的CG-NDP 薄膜，且無需進行后處理。高通量磁控濺射方法可在單次濺射過程中制備出成分梯度樣品（Nature 569, 99 (2019)；Nat. Mater 21, 165 (2022)），即一次實驗即可合成多種成分，從而顯著加速了CG-NDP合金的制備與篩選過程。

②塊體材料。主要介紹了非晶-晶體固態相變、固態部分非晶化和惰性氣體冷凝三種制備策略。塊體CG-NDP 合金的制備面臨巨大挑戰。一方面，納米晶和非晶均處于高能態，需要采用非平衡制備技術來分別抑制晶粒粗化和非晶晶化。這些技術生產出的樣品的尺寸通常有限。另一方面，納米晶與非晶的形成判據存在差異，且制備過程中需精準調控高非晶形成能力元素向晶界的偏聚，這對工藝控制提出了極高的要求。展望未來，實現塊體 CG-NDP 合金的可控合成，需要材料成分設計與創新加工策略的協同融合。

圖2(a) Mg-Cu-Y CG-NDP合金的HRTEM圖像；(b) Cu-1.0 at.% Zr, (c) Cu-3.0 at.% Zr, (d) Cu-7.0 at.% Zr合金的HRTEM圖像；(e) Al-16 at.% Mo, (f) Al-32 at.% Mo, (g) Al-50 at.% Mo合金的HRTEM圖像；(h) 高通量磁控濺射方法示意圖; (i) Cu-Ti合金庫的高通量制備。

2、力學性能和變形機制

①近理論強度。高強度的非晶相提高了位錯形核的應力勢壘，阻礙位錯的運動。傳統的晶界被超高強度的納米非晶相取代，這抑制了晶界滑動和晶界遷移，從而有效地抑制了極小尺寸納米晶的晶界軟化效應。同時，晶體相能抑制或延緩非晶相中剪切帶的形核與擴展，從而緩解了非晶合金中存在的剪切帶軟化效應。

②晶體相內的位錯運動與非晶相內的全局剪切轉變事件。非晶相無序的原子結構和優異的原子遷移能力賦予了晶體-非晶界面獨特的剪切/滑移傳遞特性。晶體相內位錯與非晶相內剪切轉變區（STZ）的相互作用不僅促進了兩相的協同變形，還激活了諸如晶化和相變等機制，從而增強了塑性。晶體相施加的拓撲約束與位錯-STZ相互作用產生協同效應，在納米尺度的非晶相內優先激活了均勻塑性流變，而非形成剪切帶。

③應變硬化機制。納米孿晶的形成和變形過程中的動態晶粒細化有助于提高合金應變硬化能力。此外還介紹了一種準靜態加載下元素配分介導的晶體-非晶相變的新機制。基于混合焓設計原則，調控晶體-非晶納米雙相多主元合金的兩相組成元素，使其具有較大負混合焓。在室溫準靜態塑性變形過程中，由于納米非晶相的尺寸效應，其剪切轉變事件被全域激活。同時，位錯從晶體-非晶界面處發射，并且在晶體相內部運動。最終，位錯(連同被拖拽的原子)被界面處的非晶相吸收。兩相內各自塑性載體的協同演化引發相界面區域原子發生大量重排，從而使兩相原子混合。在較大負混合焓的作用下促進了晶體向非晶的轉變，并提供應變硬化。

圖3(a) 變形后的CrCoNi–Fe–Si–B CG-NDP合金微柱的LAADF-STEM圖像；(b)為(a)中紅色箭頭指示的變形晶粒的更大放大倍數的LAADF-STEM圖像；(c) Cr-Ni-Co/Zr-Ti-Nb-Hf-Ni-Co晶體-非晶納米片層合金的壓縮工程應力-應變曲線；(d)合金設計策略的示意圖；(e)變形材料的APT數據集的三維重構；(f)和(g)準靜態加載后合金的二維等高線圖；(h)和 (i) 分別為合金原位TEM壓縮前和壓縮后的TEM圖像； (j)為（i）中放大矩形區域的HRTEM圖像。

3、應用

①耐磨涂層。得益于超高強度以及其抑制摩擦誘導應變局域化的能力，CG-NDP結構顯著增強了金屬材料的耐磨性。此外，CG-NDP合金優異的熱穩定性和機械穩定性有助于其作為高溫耐磨涂層（Acta Mater. 277, 120171 (2024);Acta Mater. 296, 121272 (2025)）。通常在包含至少三種組元、且具有強負混合焓和顯著原子尺寸失配的成分復雜合金的磨損表面觀察到由摩擦誘導形成的CG-NDP結構。這種結構轉變是由磨損表面的劇烈剪切應力以及復雜的熱-化學相互作用共同驅動的。

②高性能催化劑。CG-NDP合金可作為高效的析氫和析氧催化劑（Sci. Adv. 8, add6421 (2022); Adv. Mater.35, 2206890 (2023)），它結合了非晶相豐富的活性位點與晶體相的高導電性及結構穩定性。由于晶體相與非晶相在原子排列上的顯著差異，晶體-非晶界面的存在促進了電化學反應過程中缺陷的生成，從而提高了活性位點的密度。此外，晶體-非晶界面還能調節反應中間體的吸附能并促進電子轉移，從而顯著提升催化反應動力學。

圖4(a1) (TiNbZr)75Ag25合金劃痕的3D輪廓圖；(a2), (a3), (a4)分別為磨損表面的TEM, ABF-STEM, 原子分辨率的ABF-STEM圖像；(b) 磨損表面制備的樣品的APT 3D重構圖；(c)與圖(b)中紅色箭頭對應的1D數據；(d)非晶-納米晶氧化物與(TiNbZr)75Ag25合金納米柱壓縮的工程應力-應變曲線；(e) SEM圖展示納米柱壓縮后形貌。

總結與展望

在這篇綜述中，我們總結了CG-NDP合金的制備方法、力學性能、變形機制及功能應用。獨特的CG-NDP結構實現了近理論強度和大的均勻塑性變形。實驗和模擬分析均表明，位錯-STZ交互作用以及異質晶體-非晶界面對力學性能起著決定性影響。這些優異的力學性能使其在室溫和高溫下均具備卓越的耐磨性，而獨特的界面效應則賦予了其出色的析氧反應和析氫反應催化活性。在未來，需要解決以下關鍵問題：(1)塊體CG-NDP合金的制備；(2) CG-NDP合金的熱穩定性。

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

近期學術會議推薦