原子尺度界面结构对Cu-Nb层状金属材料性能调控的原位电镜研究

Development of economy and society requires unprecedented comprehensive performance of metallic structural materials. Recently, owing to interface effects nanolayered metallic structural materials have shown excellent strength，thermal stability, radiation resistance, and a big potentiality of applications in unclear field. However, nanolayered metallic structural materials suffer low plasticity severely. In contrast to previous works which mainly tuned properties via layer thickness, we propose simultaneously enhancing plasticity and radiation resistance of nanolayered metallic structural materials by controlling of atomic interface structures. In this proposal, taking nanolayered Cu-Nb composites as a model we plan to fabricate samples with different kinds of atomic structures, especially atomic thick amorphous in their interfaces via both accumulative roll bonding (ARB) and physical vapor deposition (PVD). We will characterize the atomic interface structures using transmission electron microscopy (TEM), and investigate the interface strength and interface energy by simulation. Moreover, we will study the hardness, strength, plasticity, and radiation resistance via in-situ scanning electron microscopy (SEM) compressing, in-situ TEM straining, He-ion implantation, and simulation. The goal of this project is to achieve a controllable fabrication of atomic interface structures, and reveal the relations between atomic interface structures and material properties, especially effects of the atomic thick interface amorphous on mechanical performance and radiation resistance, then shed light on improving comprehensive properties of nanolayered metallic structural materials.

经济和社会的发展对金属结构材料的综合性能提出了更高要求。近年来，得益于界面效应纳米层状金属结构材料表现出了优异的强度、热稳定性和抗辐照损伤性能，有望满足核能核电领域的发展需求。然而，此类材料存在塑性严重不足的问题。不同于此前层厚对性能调控的研究，本项目在申请人前期工作基础上提出通过调控原子尺度界面结构改善层状金属材料塑性并同时提高抗辐照损伤性能的研究思路。本项目将通过叠加轧制法和物理气相沉积法制备具有不同原子尺度界面结构，尤其是包含界面非晶的层状Cu-Nb模型材料，利用透射电镜和模拟计算研究其原子尺度界面结构和界面强度、界面能等界面特性，并结合原位电镜、离子辐照和模拟计算研究原子尺度界面结构对力学性能、抗辐照损伤性能的影响。本项目将实现层状金属材料原子尺度界面结构的可控制备，建立原子尺度界面结构与性能之间的关系，重点阐明界面非晶对性能的调控作用，为层状金属材料综合性能的优化提供依据。

本项目按计划完成了研究内容，实现了研究目标，取得了超过预期的研究成果。项目以国家核能发展对核电用金属材料的需求为主要研究背景，针对金属材料的强度、塑性、热稳定性和耐辐照损伤性能难以兼得的科学难题，提出通过调控原子尺度界面结构改善层状金属材料塑性并同时提高抗辐照损伤性能的研究思路。项目通过叠加轧制法和物理气相沉积法制备了具有不同原子尺度界面结构，尤其是包含界面非晶的层状Cu-Nb模型材料。通过对制备工艺的精细调控，制备了含名义厚度0.5纳米Cu/Nb非晶界面层的Cu-Nb多层材料。利用透射电镜和模拟计算研究其原子尺度界面结构和界面强度、界面能等界面特性，发现非晶界面层可以提升界面剪切强度，高效吸收辐照缺陷，延缓受热结构失稳。结合原位电镜、离子辐照和模拟计算研究原子尺度界面结构对力学性能、抗辐照损伤性能的影响，发现界面非晶可以吸收位错，抑制位错穿过界面，从而提升材料强度；界面非晶通过形成均匀剪切变形区，抑制变形失稳，提升材料的均匀塑性变形能力； 发现了界面对非晶结构的稳定化作用，从而提升了界面的热稳定性；建立了界面协助的氦泡到空洞转变机制，建立了氦泡到空洞转变诱发的空洞界面跨越机制，阐明了空洞形状、位置和大小多材料强塑性的影响规律。本项目实现了层状金属材料原子尺度界面结构的可控制备，建立原子尺度界面结构与性能之间的关系，重点阐明了界面非晶对性能的调控作用，为层状金属材料综合性能的优化提供了依据。在项目支持下，开展了广泛且深入的国内外合作，发表Science Advances (1篇)，Acta Materialia （4篇）、Scripta Materialia （8篇）、JMST（6篇）等高水平论文28篇，受理发明专利1项，受邀做国内外学术报告28次，培养博士、硕士研究生9名。