【仪表网 研发快讯】金属材料的强化是材料科学的核心问题。细化晶粒是一种提高材料强度的有效方式，大量晶界阻碍位错运动，强度显著提升。孪晶强化作为另一种重要策略，通过低能共格界面有效阻碍位错运动，已在金属、半导体及陶瓷中得到验证。然而，当这些结构的尺寸降至 10-15 nm时，晶界滑移、迁移等行为主导塑性变形过程，孪晶界在应力或温度作用下易退孪生，导致材料出现“尺寸软化”。突破这一瓶颈，进一步提升金属材料强度接近理论极限，亟需发展新的强化策略。
 

　　在中国科学院战略性先导专项和国家自然科学基金杰出青年基金等项目资助下，中国科学院金属研究所李秀艳研究员、卢柯院士与辽宁材料实验室研究团队合作，创新性提出并实现了“纳米负能界面”强化新策略，在镍基合金中成功构筑极高密度稳定界面，显著提升材料刚度，使材料强度逼近理论极限。相关成果以“纳米负能界面强化镍基合金(Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy)”为题，于2025年11月6日发表于《Science》杂志上。
 

　　研究团队通过电化学沉积结合非晶晶化方法，在Ni(Mo)过饱和固溶体中构筑了高密度纳米孪晶和层错(图A)。球差校正透射电镜揭示出晶粒内部由面心立方(ABCABC)与密排六方(ABAB)交替堆垛的高密度稳定界面，层片间距最小仅约0.7 nm。密度泛函理论计算结果(图B)显示，ABCABC/ABAB界面为“负能界面”(−8.7至−19.5 mJ/m²)，具有本征的热力学稳定性。微柱压缩实验(图C)显示，该材料在加载过程中保持完全弹性响应，屈服强度高达5.08 GPa，远超传统纳米晶与纳米孪晶镍基材料，接近理论强度极限。与此同时，杨氏模量随负能界面密度升高显著提升，最高达254.5 GPa(图D)，超过相同成分的非晶态与金属间化合物。负能界面的形成不仅阻碍位错滑移与晶界迁移，还通过界面区域电子密度重排增强了原子键合刚度，实现了强度与刚度的同步提升。从Ashby强度-模量关系图(图E)可见，纳米负能界面Ni(Mo)合金的强度位于E/40–E/50区间，接近理论强度，与陶瓷材料相当。根据密度泛函理论计算，其他镍基二元体系(如Ni-W、Ta、Nb、Mn和V)共格界面也具有负过剩能。纳米“负能界面”强化策略可广泛应用于多种材料体系。此项突破性成果的核心价值在于，它首次揭示了通过构筑极限尺度的稳定“负能界面”，可以有效调控晶体材料的原子键合状态，从而同时实现材料强度和模量的跨越式提升。这不仅是金属强化理论的重大革新，也为未来设计开发接近理论强度极限的新一代超强超稳金属材料提供了全新的科学原理和技术路径。
 

　　图 通过在镍基过饱和固溶体合金中构筑极高密度稳定的“负能界面” (A, B)， 有效阻碍位错及界面运动，完全抑制塑性变形，显著提升杨氏模量(C, D)，提升材料强度接近理论极限。