金属和合金材料中通常存在的强度-塑性权衡，即材料的强度（即抵抗变形和断裂的能力）和塑性（即在受到外力作用下能够发生多大程度的形变而不断裂的能力）之间存在一种相互制约的关系。通常情况下，提高材料的强度会牺牲其塑性，反之亦然。因此在实际应用中，工程师和材料科学家需要根据具体的应用需求来平衡材料的强度和塑性。例如，对于那些需要承受高负荷但不允许发生形变的结构部件，可能需要更高的强度；而对于那些需要在受到冲击时吸收能量而不断裂的部件，则可能需要更高的塑性。
因此克服金属和合金中强度与塑性之间的权衡问题，需要优化成分和专门的微观结构设计，但实验上既费力又具有挑战性。因此本研究采用了高通量设计、制备、表征的闭环方法，成功制备了超高强度和大的变形能力的晶体-薄膜纳米异质结构的铜合金。图1显示了这种闭环方法的基本策略，即设计、制备、表征三者同时具有高通量、自动特性，从而实现材料的快速筛选及优化。
图1 高通量闭环示意图。图片来源：MacLeod et al. Sci. Adv., 2020
本研究通过使用模块化组合方法成功创建了Cu-Ti合金库，该方法涉及在离子束沉积（IBD）过程中以特定方式排列靶材。通过调整靶材上Cu和Ti区域的比例来实现所需的合金成分。为了创建铜基晶态-玻璃复合材料，Cu-Ti合金的成分被设计为略微偏离共晶点（大约23%的钛原子百分比），并靠近Cu-Ti二元相图的富铜侧。基材上的成分梯度是由于靶材上Cu和Ti区域的位置、溅射角度以及溅射量的差异导致的。在靶材的设计上考虑了上述因素。如图2所示，IBD方法成功制备了不同含量的Cu-Ti合金薄膜。为了方便在成分、结构和机械分析期间识别测试点，本研究建立了一个二维坐标系。该坐标系的原点位于晶片的中心，间距5毫米均匀分布了249个点。
图2 不同含量的Cu-Ti合金IBD（Ion Beam Deposition）快速制备。
由于铜合金的强度和硬度之间存在密切的相关性，因此本研究采用硬度值来评估和优化Cu-Ti合金库中的强度。整个区域高通量纳米压痕测试结果显示，以晶体为主的区域显示出更高的硬度，而以玻璃态为主的区域则具有较低的硬度（图3左图）。此外，图3右图展示了硬度沿X轴方向（Y=10）的详细变化，同时对钛含量和全宽半高（FWHM）值沿着从玻璃态区域到以晶体为主的区域进行测量。对照三个参数的变化可以看出，从玻璃态区域到过渡区域的左侧，硬度几乎保持不变，约为6.1 GPa，之后它在过渡区域经历显著增加，并在以晶体为主的区域达到恒定值7.6 GPa。与传统金属玻璃和极细纳米晶合金中观察到的局部剪切带塑性变形相比，晶态-玻璃复合材料中玻璃态和晶态相的结合有望同时表现出高强度和良好的韧性。因此，为了获得高强度和大变形性，选择了位于硬度快速增长区域中点（标记为S2，坐标：x=15，y=10，成分：Cu83.3Ti16.7）的样品，以及从过渡区域转向以晶体为主的区域的转折点处的样品（标记为S3，坐标：x=25，y=10，成分：Cu84.1Ti15.9）。此外，还选择了玻璃态区域中的一个样品（S1，坐标：x=-35，y=10，成分：Cu79Ti21）作为参照。从相应位置制备了微柱以进行压缩测试。
图3 不同含量的Cu-Ti合金力学性能与晶体结构对应关系。
本研究通过纳米压痕仪进行不同成分合金的微柱压缩测试获得屈服强度。如图4左图所示，Cu79Ti21金属玻璃（S1）的屈服强度为2.4 GPa，其应力-应变曲线显示出一些锯齿状波动。这种锯齿状行为归因于局部剪切带的快速传播，这是金属玻璃中塑性有限的一个常见特征。这种铜基金属玻璃的屈服强度与之前报道的块状金属玻璃相当，表明强度上的尺寸效应可以忽略不计。与金属玻璃样品S1相比，Cu83.3Ti16.7合金（S2）的屈服强度显著提高至3.1 GPa。它表现出近乎平滑的塑性流动，工程应变超过30%而未发生断裂。相比之下，Cu84.1Ti15.9合金（S3）的屈服强度最高，达到3.8 GPa，远超之前报道的铜合金。令人惊讶的是，它也表现出卓越的塑性变形能力，工程应变超过30%而未断裂。在塑性变形能力方面，样品S3中观察到的振荡塑性流动似乎优于金属玻璃样品S1中观察到的锯齿状流动，但不如样品S2中观察到的平滑塑性流动。
图4右图是屈服强度与杨氏模量（E）的对比图，展示了本研究的铜合金与之前报道的铜基晶态合金、金属间化合物、金属玻璃和金属玻璃复合材料相比所表现出的卓越机械性能。本研究的铜合金的杨氏模量与其他类型的铜合金相当。然而，其强度可以高出数倍，是已知所有铜基合金中报道的最高强度。屈服强度高达E/30，这显著高于传统晶态合金的E/100、纳米晶体的E/87和金属玻璃的E/50，从而接近理论强度极限（≈E/(10-20)）。
图4 不同成分Cu-Ti合金微柱压缩测试，获得对应屈服强度，与杨氏模量建立联系。
综上，本研究设计了一种分子尺度的模块化组合方法，创建一个涵盖广泛成分、结构和机械性能的铜-钛合金库。通过高效的筛选过程，优化了Cu84.1Ti15.9合金，该合金具有前所未有的3.8 GPa压缩屈服强度和优异的形变模式。该合金具有晶-玻纳米异质结构，包括纳米晶粒（≈1.9 nm）、纳米孪晶和玻璃相。不同表征方法表明，合金的超高强度归因于异质结构单元尺寸的极度减小，以及通过在纳米晶粒之间包含玻璃相来避免晶界滑动引起的软化。变形与纳米级玻璃相的均匀塑性变形能力有关，同时纳米晶旋转的协同变形能力也起到了补充作用。本研究的模块化组合方法展示了在高效发现具有优异性能的新型材料方面的应用潜力，而晶-玻纳米异质结构的设计为解决合金强度与变形性之间的权衡问题提供了一条有前景的途径。
本研究使用的纳米压痕仪是布鲁克纳米表面与计量部的设备。除了纳米压痕仪外，布鲁克纳米表面部还有原子力显微镜、摩擦磨损测试仪及白光干涉显微镜等。这些设备能全面表征样品表面及涂层的表面特性。更重要的是，这些设备具有高通量测试功能，和广泛的定制扩展能力，适合进行各种二次开放工作。
设备介绍链接如下：
纳米压痕仪：
https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-test-systems.html
文章信息如下，感兴趣的朋友可以自行下载阅读。
标题：Modular Combinatorial Development of Crystal-Glass Nano-Heterostructured Copper Alloys with Ultrahigh Strength and Large Deformability
作者：Hongbo Zhou, Fusen Yuan, Yao Huang, Yutian Wang, Zhenxing Bo, Jingshan Cao, Weijie Xie, Qinghua Zhang, Yanhui Liu, Minqiang Jiang, Baoan Sun*, Weihua Wang*
出处：Adv. Funct. Mater. 2024, 2413332
链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413332
