“激光粉末床熔融技术制备非晶纳米颗粒强化铜基复合材料：突破强度-延展性悖论”

编辑推荐：传统弥散强化金属材料存在应力集中导致延展性下降的难题。中科院团队通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术，创新性地将B4C微米颗粒原位转化为47nm非晶纳米颗粒（ANPs），制备出抗拉强度1GPa、延伸率10%的铜基复合材料。该研究揭示了ANPs作为位错汇缓解应力集中的新机制，为增材制造高性能金属材料开辟了新路径，成果发表于《Nature Communications》。

　　金属材料的强度与延展性如同鱼与熊掌难以兼得，这一"强度-延展性悖论"困扰材料学界数十年。传统弥散强化通过在金属基体中引入晶体颗粒阻碍位错运动来提高强度，但位错堆积导致的应力集中会引发裂纹萌生，严重损害材料延展性。更棘手的是，现有技术难以在金属基体中均匀分散高密度纳米颗粒。上海交通大学联合多个研究机构在《Nature Communications》发表突破性研究，利用激光粉末床熔融（L-PBF）技术成功制备出含12%体积分数非晶硼碳化物（B₄C）纳米颗粒的铜基复合材料，其抗拉强度达1036MPa的同时保持9.7%延伸率，疲劳强度极限超过拉伸强度的70%。

研究团队采用多尺度表征与计算模拟相结合的方法：通过高能球混制备Cu-B₄C复合粉末，采用L-PBF工艺参数优化实现99.8%致密度；借助高分辨透射电镜（HRTEM）和原子探针断层扫描（APT）证实47nm非晶颗粒内嵌2.9nm铜纳米晶的"准非晶"结构；结合原位同步辐射X射线衍射与晶体塑性有限元（CPFE）模拟解析载荷分配机制；通过分子动力学（MD）模拟揭示非晶颗粒吸收位错的原子尺度过程。

"微观结构及其形成机制"部分显示，180.6J/m³能量密度下B₄C微米颗粒发生熔融-破碎-淬火转变为非晶纳米颗粒。APT显示纳米颗粒成分为B_3.89C含8at%铜，近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）证实其非晶特征。这种转变具有普适性，在Al-B₄C和Cu-CrB₂体系中也得到验证。

"力学性能"部分对比显示，含12vol%非晶颗粒的Cu-ANP比晶化处理的Cu-CNP延伸率提高2倍。CPFE模拟表明非晶颗粒贡献61%的应变硬化，MD模拟显示其通过剪切转变吸收位错而不形成应力集中。高分辨电子背散射衍射（EBSD）显示3%应变后Cu-ANP的局部取向差仅0.5°，远低于Cu-CNP。

"疲劳性能"部分发现Cu-ANP的疲劳强度极限超过70%拉伸强度，优于纳米晶、梯度结构和纳米孪晶铜。热稳定性测试表明材料在1173K（0.87T_m）退火1小时后仍保持90%初始强度，优于传统Cu-Nb合金。

该研究开创性地提出"非晶纳米颗粒弥散强化"新范式：非晶颗粒既作为障碍物阻碍位错运动（Orowan强化贡献318MPa），又作为位错汇缓解应力集中；其高冷却速率（10⁸K/s）形成的过剩体积促进剪切转变，实现动态自硬化。这种"鱼与熊掌兼得"的策略为火箭发动机燃烧室等极端环境应用提供了新材料解决方案，也为其他金属体系（如钛合金、高熵合金）的性能优化提供了新思路。