通过晶态Cr/非晶态CrAlN纳米层状材料中的多级界面设计破解强度-塑性平衡难题

本研究针对材料科学中强度与塑性难以兼得的共性难题，通过磁控溅射技术构建具有异质界面（Cr/CrAlN）和同质界面（晶界/玻璃界）的多级结构纳米层状材料。研究发现柱状晶宽度主导位错滑移与剪切带激活，使层厚增至500 nm时塑性提升3倍而强度保持稳定，为设计高性能异质结构材料提供了新范式。

　　

在材料科学领域，强度与塑性的"鱼与熊掌"困境长期制约着高性能结构材料的开发。传统金属/陶瓷（如Al/TiN）或晶态/非晶（如Cu/CuZr）层状材料虽能折中性能，但纳米尺度协同变形机制尚不明确。更棘手的是，当层厚超过临界尺寸（如5 nm）时，硬质相往往引发应力集中导致脆性断裂。这一瓶颈促使科学家思考：能否通过界面结构的精确设计，在宏观尺度实现"既强又韧"的理想组合？

中国研究人员在《Journal of Materials Science》发表的研究给出了突破性答案。团队采用室温磁控溅射技术，制备出层厚从20 nm到500 nm可调的晶态Cr/非晶态CrAlN纳米层状材料。通过透射电镜(TEM)、纳米压痕和微柱压缩测试，首次揭示柱状晶宽度（而非层厚）主导变形机制：当Cr层中位错滑移与CrAlN层中剪切带激活均受限于约100 nm柱宽时，材料强度保持1.5 GPa不变；而增厚层距促进Cr层扭折带形成并抑制CrAlN非晶-晶化转变，使塑性应变从5%提升至15%。这种"层厚调塑、柱宽控强"的解耦机制，为异质结构材料设计提供了新思路。

关键技术包括：1）磁控溅射制备梯度层厚（20-500 nm）纳米层状材料；2）TEM结合EDS分析柱状晶/玻璃界分布；3）纳米压痕与微柱压缩测试力学性能；4）分子动力学模拟界面位错行为。

【Microstructure and phase component】
TEM显示所有样品均呈现交替排列的Cr（晶态）和CrAlN（非晶态）层，柱状晶垂直于界面生长。EDS证实CrAlN层中Al/N比恒定在1:1，且柱宽在20#和500#样品中均为~100 nm，表明柱宽与层厚无关。

【Discussion】
研究发现强度稳定性源于位错滑移（Cr）和剪切带（CrAlN）均受柱宽限制：柱宽相当于有效晶粒尺寸，通过Hall-Petch效应维持强度。而塑性提升机制包含两方面：①Cr层中扭折带形成需要临界层厚（>200 nm）以积累足够位错相互作用；②厚层（500 nm）使CrAlN非晶-晶化转变比例从20#的35%降至15%，延缓脆性断裂。

【Conclusions】
该研究通过构建"垂直界面网络"（异质界面平行加载方向、同质界面垂直加载方向），首次实现纳米层状材料中强度与塑性的解耦调控。相比传统Al/TiN体系需将层厚压缩至5 nm才能获得12%应变，Cr/CrAlN在500 nm层厚下仍保持1.5 GPa强度，其"大尺寸高塑性"特性更具工程应用价值。研究提出的"多级界面协同变形"机制，可拓展至其他晶态/非晶体系如Fe基纳米层状材料的设计。