多层梯度纳米结构铜的应用基础研究

The objective of the present project is to achieve simultaneously high strength,high ductility and high conductivity in Cu through design and production of multilayer gradient nano-structure, which are produced by Surface mechanical attrition treatment (SMAT) and direct current electro-deposition technique. SMAT treated surface layer can be subdivided into three sections along depth from the top surface: section： (i) nanostructured regime; section： (ii) submicro-sized regime; section： (iii)micro-sized regime. High purity copper foils in size with coarse grain were synthesized by means of direct current electro-deposition technique in the surface treated by SMAT. The multilayer gradient nano-structure is produced by Surface mechanical attrition treatment (SMAT) and direct current electro-deposition technique repeatedly. The global strength of Cu is increased by nanostructure section. The global good ductility Cu is due to the gradient nano-structure and matrix with coarse grain. The global conductivity of Cu is due to matrix with coarse grain. The strength、ductility and conductivity of Cu with the multilayer gradient nano-structure is higher and well those of the Cu with gradient nano-structure,which is mainly innovation of the project.

本项目的研究目的是开发具有多层状梯度纳米结构的高强度、高塑性和高导电性的Cu，这种多层状梯度纳米结构可以采用表面机械研磨处理和直流电解沉积相结合来获得。采用表面机械研磨处理获得的梯度纳米结构是指材料的最外表面是具有一定厚度的纳米晶层，随深度增加，晶粒尺寸逐渐由纳米量级变成亚微米级和微米级最终到心部的粗晶粒层。在此梯度纳米结构的表面，采用直流电解沉积技术，沉积一层粗晶层。再采用表面机械研磨技术处理，又得到梯度纳米结构，如此反复就可获得多层状梯度纳米结构。梯度纳米结构中的纳米晶粒层可以保证铜材料的高强度，其塑性可利用梯度纳米结构和心部粗晶层的协调变形以及心部粗晶层来获得，而心部的粗晶层可以保证材料的高导电性。本项目与其他的梯度纳米结构材料具有最明显的不同之处在于，它是多层梯度纳米结构，通过这样的微观结构设计可望获得具有更高的强度和更好的塑性和导电性配合的铜材料。

纳米结构金属材料由于高强度和高的延展性不能同时获得，限制了纳米结构金属材料广泛的工业应用。因此，目前主要的挑战是设计新的微观结构，以恢复这些高强度金属的延展性，从而实现理想的强度-延展性的同时提高。梯度结构金属材料由于同时具有高强度和优异的延展性引起广大材料研究者的研究兴趣。本项目主要采用表面机械研磨处理（SMAT）技术，对铜及其合金进行表面处理，得到具有梯度结构的铜及其合金的材料（Gradient Structure，GS）。.本项目主要进行如下的研究：（1）纯铜和Cu-Al合金体系中：在GS层中，不同SFE的合金由于GS层的微观结构特征存在差异，HDI测试结果显示出合金与SMAT相关的不同变化规律，即在小应变下，真实应力的增加会随着SFE的减少而急剧减小，而大应变时真实应力增大减缓。（2）Cu-Al-Zn合金体系中：通过SMAT处理后，经SMAT处理的SFE最低的Cu- 5.5％Al-4.5％Zn合金表现出强度和延展性的最佳组合。优化SMAT处理时间和足够的晶粒细化促进几何上必要的位错（GNDs）的更好积累。（3）Cu-Ge合金体系中：Cu-5.7 wt % Ge合金生成了由两个梯度结构（GS）层和粗晶粒（CG）层组成的梯度结构，加载-卸载-再加载（Loading-unloading-reloading，LUR）和EBSD实验结果显示，GS / CG边界上累积的必要的几何位错（GND）引起的背应力随应变的增加而增加且GND的密度随SMAT时间的增加而增加从而显着提高了材料的材料强度和延展性。.（4）Cu / Ni多层复合材料：通过电沉积技术来制备Cu / Ni多层复合材料，研究在5×10-5至5×10-2的不同应变速率下对Cu / Ni多层复合材料的微观组织结构与力学性能，发现随着应变速率的增加，Cu / Ni多层复合材料的强度和延展性同时提高与应变硬化敏感值（m）和背应力有关。（5）纯钛：研究纯钛的综合力学性能的研究，发现液氮温度下的轧制和随后的在450°C短时10分钟退火后，晶粒尺寸呈双峰分布，实现了最佳的强度和延展性的配合。.通过研究可实现材料的高强度和优异延展性的最佳力学性能配合，从微观结构中探索了它的机理，为实现高性能的金属材料广泛应用打下了坚实的理论基础。