金属基纳米复合材料界面位错形核及冲击塑性机理的研究

Novel high performance metallic nanocomposites have arose broad interest and much attention in scientific research fields and become a hot topic due to their superior properties and potential industrial applications. In this project, we propose a systematic studies on the typical semi-coherent and incoherent interface types widely observed in newly synthesized metallic nanocomposites. The topic of the proposed research work will focus on the investigations of the atomic scale defect structure of interfaces, the dislocation nucleation and sliding mechanism at interface, and the discovery of the strengthening origin of various interfaces, and consequently underline the intrinsic correlation between interface structure and interfacial strengthening. For this purpose, we shall use the modern interface modeling technique based on the internal stress balance, the Frank-Bilby solution to interface dislocation network, the quasi-static simulation of stress-strain response, and the large scale molecular dynamics simulations of shock wave in solids. A comprehensive understanding and theory will be drawn for the design of novel high performance metallic nanocomposites according to the constructed inter-relationship of "interface defect structure-mechanical property-design rule of interface". Such work will open an effective way for further improvement of mechanical properties of the newly discovered materials and the development of new high performance metallic nanocomposites, which can meet the requirement of the application of high-technology industry, high precision fields and the technology of Aeronautics and Astronautics.

新型高性能金属基纳米复合材料由于表现出传统材料无法比拟的独特优异性能，成为当前材料科学研究的一个热门核心课题，引起国内外科学工作者的广泛关注。本研究计划将以新型金属基纳米复合材料"界面缺陷结构-界面位错形核/滑移塑性-界面强化起源"为主线，针对最新报道的、并引起国际社会重点关注的fcc/fcc和fcc/bcc半共格和非共格异质界面结构为原型，深入系统地展开原子级的科学研究。研究方案将综合运用先进的内应力平衡界面建模技术，界面位错的Frank-Bilby求解技术，以及应力-应变准静态模拟和大尺度冲击波动态模拟等技术，在"界面结构-界面强化"有机统一基础上，提出归一化材料界面设计理念，期望建立 "界面缺陷结构-力学性能-界面设计方案"的内禀联系，并提出有效的材料设计思路，进而指导设计出新型纳米复合材料，满足高精密和空天技术领域的需求。

新型高性能金属基纳米复合材料由于表现出传统材料无法比拟的独特优异性能，成为当前材料科学研究的一个热门核心课题，引起国内外科学工作者的广泛关注。本研究计划以新型金属基纳米复合材料"界面缺陷结构-界面位错形核/滑移塑性-界面强化起源"为主线，以典型FCC/FCC和FCC/BCC异质界面系统为研究对象，综合运用先进的内应力平衡界面建模技术，界面位错的Frank-Bilby求解方法，以及应力-应变准静态加载和大尺度冲击波动态模拟等技术，深入系统地展开了界面主导塑性变形机制的科学研究。首先，我们创建了Cu{110}//{110}Ni和Cu{001}//{001}Ni异质半共格非密排界面模型，通过错配应变能变化揭示了单轴加载条件下界面错配位错向晶体内部分解并产生强化效应的原子机制。其次，我们对三种典型的半共格密排异质界面：Cu{111}//{111}Ni、Cu{111}//{111}Ag和Ag{111}//{111}Pd进行了深入系统研究，阐明了在动态加载条件下类似Friedel-Escaig交滑移位错形核机理，并进一步揭示了在剪切载荷作用下界面位错诱导的局域剪切滑移机制。在以上研究的基础上，我们进一步以Cu{110}//{110}Ni和Cu{112}//{112}Nb高能界面系统为例，通过引入三维锯齿结构或原子级台阶对界面位错形核阻力和剪切滑移阻力进行原子级调制，为界面强韧化设计提供了理论支撑和有效方案。为了进一步揭示具有较大点阵错配的Cu/Zr界面和无界面错配位错特征的Cu/a-CuZr非晶和Zr/a-CuZr非晶体系的界面位错形核机理，我们提出了界面“纳米剪切迹”诱导位错形核的原子机理。这些界面模型的创建均获得了相应验证性实验的支持。在以上各种界面位错形核和剪切滑移原子机理的研究基础上，我们更进一步通过大尺度非平衡分子动力学模拟研究冲击条件下界面主导的损伤动力学行为。发现，以上提出的位错形核机理同样决定着冲击条件下界面位错形核，并且存在明显的层厚依从的尺寸效应。总之，在"界面结构-界面强化"有机统一基础上，我们提出了归一化材料界面强韧化设计理念，建立了"界面缺陷结构-力学性能-界面设计方案"的内禀联系，并提出了有效的材料设计思路，进而指导设计出新型纳米复合材料，满足了高精密制造和空天技术领域的需求 。