Nature子刊！美陆军实验室最新研发：纳米晶Cu-Ta合金，突破冲击极限的“超级材料”！

学术 2024-11-02 21:50 江苏

研发能够承受剧烈能量流的材料仍然是材料科学领域的重大挑战之一。高能通量（如高温、强辐射或剧烈的机械能传递）的吸收会导致大多数材料的结构退化甚至破坏。这种退化是由于晶体缺陷增殖，造成结构损伤积累并最终失效。

为应对众多科学和技术挑战，需要探索和发现能够承受高能通量的新材料。尽管最近在制造能抵抗能量流的合金方面取得了进展，但减轻机械能吸收和传递所造成的损害在基础科学和技术应用中仍然是一个关键障碍。当机械能通过冲击加载传递到材料上时，这一挑战尤为突出。

【成果速览】

针对这一挑战，美国陆军研究实验室研发出一种微观结构非常稳定的纳米晶Cu-Ta合金，在多次冲击加载后，其位错结构可以发生逆转或几乎完全恢复。

该合金能够承受高达12GPa压力下的反复冲击波相互作用，而不会出现任何明显的微观结构损伤或劣化，这表明其具有一种几乎不受冲击加载有害影响的非凡能力。

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相关成果以“Direct observation of deformation and resistance to damage accumulation during shock loading of stabilized nanocrystalline Cu-Ta alloys”为题刊登在Nature Communications上。

【数据概况】

图1. 离子对比图像，Cu和Cu-Ta合金的晶粒结构。

图2. 中等放大倍率STEM明场图像。

图3. 中等放大倍率STEM明场图像。

图4. 第二次冲击前和冲击后压缩的X射线衍射图样。

图5. APS数据显示了衍射图样展宽的线的扩展和收缩。

图6. NC Cu和Cu-3Ta冲击变形的计算机模拟。

图7. X射线衍射峰的分子动力学模拟。

【结论展望】

总之，与传统金属不同，热力学稳定的纳米晶Cu-Ta合金在多次动态冲击加载至高压状态下，展现出了消除并逆转累积的位错结构或使其近乎完全恢复的能力，同时也能修复所遭受的损伤，该合金的微观结构不受冲击变形的影响。这种特性不太可能在其他纳米晶（NC）金属上出现，因为它们的微观结构在冲击加载下会失去稳定性。

为了证明Cu-Ta合金的抗冲击性，对软回收样品在12GPa的压力下进行了多次冲击加载。这些合金（尤其是Cu-3Ta）的微观结构在多次冲击加载后几乎没有损伤。相比之下，用于对比的超细晶（UFG）铜通过高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）成像观察到，其缺陷急剧增殖、损伤积累且晶粒快速生长。

时间分辨的先进光子源（APS）和X射线衍射（XRD）实验直接观察到了Cu-3Ta在冲击加载后的损伤恢复情况。原子模拟通过确认在冲击前沿的缺陷产生和微观结构的快速恢复，进一步证实了试验结果。模拟还将纳米晶Cu-Ta微观结构承受剧烈压缩的能力与Ta纳米团簇对晶粒的稳定作用联系起来。

本项研究成果对于许多技术应用中的新型抗冲击材料设计具有重要意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53142-3

来源：

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