Cu-Ni功能梯度材料微观结构演化与力学性能的分子动力学模拟研究

为揭示极端环境下功能梯度材料(FGM)的性能调控机制，研究人员通过分子动力学(MD)模拟构建了9种幂律函数梯度Cu-Ni合金模型，在77-600 K温度范围内开展拉伸/纳米压痕实验。发现镍含量与梯度分布是核心影响因素，77 K时材料呈现最优综合力学性能与显著位错累积现象，为极端环境FGM设计提供理论支撑。

　　

在航空航天、能源装备等尖端领域，材料往往需要承受极端温度环境的严苛考验。传统均质材料难以同时满足高强度与高韧性的矛盾需求，而功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGM)通过组分梯度设计可实现性能的"按需定制"。铜镍(Cu-Ni)合金因其优异的导电、导热和力学性能成为热门候选材料，但现有研究多局限于常温环境，对极端温度下其微观结构演化规律与性能关联机制的认识仍存在重大空白。东南大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表的研究，通过分子动力学模拟揭示了这一"黑箱"的运作机制。

研究采用LAMMPS平台构建9种幂律函数梯度模型，运用嵌入原子势(EAM)描述原子相互作用，在77 K(极低温)至600 K(极高温)五个特征温度下进行拉伸/纳米压痕模拟。通过OVITO软件进行晶体结构分析(CNA)和位错提取分析(DXA)，系统探究了温度-组分-梯度分布三要素对材料性能的协同调控作用。

Model and Potential Function
研究创新性地采用径向梯度设计，通过改变幂指数n(0.1-10)建立不同梯度陡峭度的Cu-Ni模型。EAM势函数精准捕获了金属键的键长-能量关系，为后续变形机制分析奠定基础。

Results and Discussion
极低温(77 K)下材料呈现反常力学响应：纯Ni屈服应力最高，而梯度合金因Ni含量微变引发晶格畸变强化。温度升高导致Young's模量下降，但纳米压痕硬度受温度影响较小。位错演化受加载条件与元素梯度双重调控，高铜含量区域更易发生位错形核。

Conclusion
该研究首次阐明极端温度下Cu-Ni FGM的"组分-梯度-温度"协同作用机制：77 K时位错累积与梯度强化效应协同提升综合性能；梯度设计可缓解热应力集中；镍含量增加提升强度但牺牲塑性。这些发现为航空发动机热端部件等极端环境用FGM设计提供了关键理论依据。

研究创新点在于：建立多温度梯度关联模型，突破传统研究局限于常温的瓶颈；揭示位错演化与梯度分布的时空耦合规律；提出"梯度陡峭度-温度窗口"匹配设计准则。这项工作将FGM的性能预测精度提升至原子尺度，为材料基因工程在高性能合金设计中的应用开辟了新思路。