“营养又美味”的金属“汉堡”

　　来源：中科院之声

　　汉堡由面包、蔬菜、肉饼和芝士堆叠而成，因美味且提供丰富的营养成为了人们重要的食物形式之一。其中，面包提供了碳水化合物，蔬菜贡献了丰富的维生素，肉饼提供了蛋白质，而芝士则含有大量的脂肪。因此，这小小的汉堡满足了我们人类日常所需的各项营养物质。

图1 含有丰富食材的汉堡

　　金属材料是工业发展不可或缺的重要“食材”，尤其是在面向核聚变能的应用中，其不仅要支撑聚变装置的主体结构，更要具备一定功能性。

　　倘若一种或多种金属“食材”被制备成具有“汉堡”一样的结构，那是否能发挥更大的作用呢？

图2 聚变实验堆内部金属构件

　　中国科学院合肥物质科学研究院方前锋研究员课题组利用特殊的制备工艺，创造性的“编码”铜铌纳米叠层材料的微观结构尺度分布，实现了类似于“条形码”形貌的多尺度、多级特征结构。

　　其中，不同尺度分布的单元可以扮演“汉堡”中“面包、蔬菜、芝士”等角色。

　　即多尺度结构实现了多级强化机制的配合，如细晶强化、位错强化、裂纹阻碍等，因此极大地提高了材料的强度和可加工性。

图3 纳米叠层金属中类似“汉堡”的多尺度结构及其强化机制

　　此外，多级结构还能调控“汉堡”口味。

　　即通过控制加工过程中材料内部应力场的变化构建出不同的界面类型，利用不断累积的失配位错与界面发生相互作用，可控地形成有序共格、化学混合以及无序非晶界面。

　　研究人员通过氦离子辐照实验及分子动力学模拟分析得出，正是这种具有化学混合和非晶结构特征的三维界面（3D）有效抑制了聚变反应产生的辐照缺陷对材料性能的不利影响。

图4 不同界面的原子结构以及对辐照缺陷的反馈

　　此外，这种高密度的化学混合界面结构增强了对磁通线的钉扎效应，提高了材料的超导电流负载能力。该项研究基于实验设计与理论模拟相结合，验证了构造多级特征结构以实现高性能材料的有效策略，同时利用特殊界面调控氦泡生长的动力学过程，最终使铜铌叠层材料具有优异的机械、超导和抗辐照性能，并有望应用于核聚变领域。

　　相关论文发表在金属材料领域国际期刊 Acta Materialia 上，论文链接：https：//www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420305371。

　　来源：中国科学院合肥物质科学研究院