什么是異質(zhì)結(jié)構(gòu)(HS)材料呢？有哪些性能

異質(zhì)結(jié)構(gòu)(HS)材料是一類新型材料，由具有顯著不同(>100%)機(jī)械或物理特性的異質(zhì)區(qū)域組成。這些異質(zhì)區(qū)域之間的交互耦合產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，其中綜合特性超過了混合規(guī)則的預(yù)測。HS材料具有傳統(tǒng)均質(zhì)材料無法實現(xiàn)的卓越機(jī)械或物理性能。

日前，國際頂級期刊“Progress in Materials Science”報道了香港城市大學(xué)朱運(yùn)田教授和中科院力學(xué)所武曉雷合作的“Heterostructured materials”一文。

本綜述主要關(guān)注異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其卓越的機(jī)械性能是由新機(jī)制實現(xiàn)的：異形變形誘導(dǎo)(HDI)強(qiáng)化和異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）加工硬化。

軟區(qū)中的幾何必要位錯(GND)在區(qū)域邊界附近堆積和積累，在軟區(qū)產(chǎn)生背應(yīng)力，在硬區(qū)產(chǎn)生正應(yīng)力，共同產(chǎn)生HDI應(yīng)力。HS材料具有獨(dú)特的變形行為：形成分散的微觀應(yīng)變帶，有助于將塑性應(yīng)變分布在整個標(biāo)距長度上，從而提高均勻伸長率。

它們可以很容易地使用傳統(tǒng)的工業(yè)技術(shù)和設(shè)施以大規(guī)模和低成本生產(chǎn)。優(yōu)異的性能、新材料科學(xué)和巨大的應(yīng)用潛力正在推動HS材料領(lǐng)域的快速發(fā)展。這篇綜述旨在向?qū)W生和研究人員介紹這一新興領(lǐng)域，并作為HS材料參考。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)(HS)材料在自然界中普遍存在，并已被用于多種類型的人造結(jié)構(gòu)和部件中，盡管直到最近科學(xué)家們還沒有很好地定義或系統(tǒng)地研究HS材料作為一類材料。

HS材料比均質(zhì)材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的功能和機(jī)械性能，這就是為什么它們被自然進(jìn)化選擇并經(jīng)常被人類探索的原因。在這篇評論文章中，我們將主要關(guān)注結(jié)構(gòu)HS材料的機(jī)械性能，盡管也將簡要討論一些功能性能。

HS材料因其優(yōu)越的性能和巨大的應(yīng)用潛力而迅速成為一個主要的研究領(lǐng)域。例如，據(jù)報道，異質(zhì)片層鈦具有納米結(jié)構(gòu)鈦的高強(qiáng)度和粗晶鈦的良好延展性，根據(jù)我們的傳統(tǒng)教科書和文獻(xiàn)知識，這是不可能的性能組合。

更重要的是，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以使用現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)施以低成本制造，這使得它們的商業(yè)化比其他先進(jìn)材料更容易。

看來，我們對材料科學(xué)的傳統(tǒng)理解往往不足以解釋HS材料的機(jī)械行為，在我們設(shè)計具有優(yōu)異性能的HS材料之前，還有許多科學(xué)問題需要解決。例如，異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈦通過冷變形加工，然后進(jìn)行部分再結(jié)晶退火。冷變形產(chǎn)生了具有高強(qiáng)度但低延展性的納米結(jié)構(gòu)。

退火降低了整體位錯密度并產(chǎn)生了一些大的微米級晶粒，根據(jù)我們的傳統(tǒng)教導(dǎo)，這兩者都應(yīng)該降低強(qiáng)度。然而，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈦在退火后仍保持高強(qiáng)度，與傳統(tǒng)的材料科學(xué)背道而馳。

它將需要來自材料科學(xué)、力學(xué)和計算建模等領(lǐng)域的研究人員的共同努力，以解決一些高熱材料的基本問題。換句話說，HS材料領(lǐng)域代表了科學(xué)家探索的新前沿，在現(xiàn)實世界的應(yīng)用中具有非常大的潛力。這也是為什么它迅速吸引了全球眾多知名研究團(tuán)體加入這一研究領(lǐng)域的原因。

本綜述的目的是向材料研究界介紹HS材料，特別是異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的定義、它們的基本原理、加工技術(shù)、微觀結(jié)構(gòu)、性能和潛在應(yīng)用。本文的目標(biāo)讀者是在該領(lǐng)域工作的研究生、正在進(jìn)入這一新興研究領(lǐng)域的研究人員，以及已經(jīng)在研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的科學(xué)家和工程師。討論異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的歷史視角、范圍和定義。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)（HS）材料是一類材料，不僅為基礎(chǔ)研究奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，而且具有快速工業(yè)應(yīng)用的巨大潛力。新材料的商業(yè)化和實際應(yīng)用往往受到以下兩個關(guān)鍵因素的阻礙。第一個因素是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的可擴(kuò)展性。這通常需要廣泛的研究和開發(fā)。將新技術(shù)從實驗室擴(kuò)大到商業(yè)生產(chǎn)通常需要很長時間，而且成本非常高。

在實驗室中運(yùn)作良好的東西可能無法大規(guī)模運(yùn)作，或者可能無法始終如一地運(yùn)作以輕松控制商業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。第二個因素是成本，其中包括購買和安裝生產(chǎn)設(shè)施的成本以及生產(chǎn)產(chǎn)品本身的成本。開發(fā)新材料以啟用新技術(shù)或替代現(xiàn)有材料。

現(xiàn)有材料的更換對汽車等民用產(chǎn)品的成本特別敏感。一項新技術(shù)的商業(yè)化規(guī)模擴(kuò)大通常處于研發(fā)階段，此時基礎(chǔ)研究的公共資金正在枯竭，而該技術(shù)還不夠成熟，無法從營利性公司吸引足夠的私人資金用于商業(yè)化。因此，該技術(shù)在無法獲得足夠的資金來維持其研發(fā)活動的情況下就消亡了。有前途的技術(shù)在這個階段經(jīng)常死去，被稱為技術(shù)“valley of death”開發(fā)新材料以啟用新技術(shù)或替代現(xiàn)有材料?，F(xiàn)有材料的更換對汽車等民用產(chǎn)品的成本特別敏感。

HS材料的最大優(yōu)勢之一是它們可以通過當(dāng)前的工業(yè)技術(shù)和設(shè)施生產(chǎn)，這消除了它們商業(yè)化的任何技術(shù)障礙。它還避免了前期的巨額資本投資。采用當(dāng)前的工業(yè)技術(shù)和設(shè)施使得以低成本生產(chǎn)HS材料非常經(jīng)濟(jì)，這使得它們與現(xiàn)有材料相比具有競爭力。

例如，HS鋼可以在鋼廠使用當(dāng)前的工業(yè)軋制和退火工藝進(jìn)行加工，這可能會為汽車等制造業(yè)開發(fā)一系列新的高性能和低成本鋼。事實上，常見的工業(yè)熱機(jī)械技術(shù)和設(shè)備，如鍛造、軋制、擠壓、拉拔、和熱處理都可以用來加工HS金屬和合金。正是這種工業(yè)應(yīng)用潛力使HS材料具有長久的使用壽命。

作為一個新材料領(lǐng)域，有許多已知和未知的基礎(chǔ)和工程問題有待解決，這為材料界提供了豐富的研究機(jī)會。

一種新的科學(xué)原理，異質(zhì)變形誘導(dǎo)(HDI)強(qiáng)化和HDI硬化，是HS材料優(yōu)異機(jī)械性能的原因，這是決定其機(jī)械性能的主要因素。HDI強(qiáng)化和HDI硬化增加了傳統(tǒng)的基于位錯的強(qiáng)化和硬化，以提供額外的強(qiáng)度和延展性增強(qiáng)。下面我們將討論HS材料領(lǐng)域迄今為止已知的科學(xué)和工程問題。

第一個問題是幾何必要位錯(GND)與區(qū)域邊界的相互作用，以產(chǎn)生異質(zhì)變形誘發(fā)(HDI)應(yīng)力。從邏輯上講，當(dāng)GND陣列滑向區(qū)域邊界時，它們可能會停在邊界前面、傳輸穿過邊界、推入邊界或從邊界反射。他們也可能會交叉滑倒以逃離堆積。這些情景將決定產(chǎn)生HDI強(qiáng)化和硬化的有效性。這些情況的發(fā)生將受到材料的固有特性（如層錯能和晶體結(jié)構(gòu)）以及區(qū)域邊界結(jié)構(gòu)和取向錯誤、跨界強(qiáng)度差異、跨界晶體結(jié)構(gòu)差異等微觀結(jié)構(gòu)特征的影響。ETC

GND對區(qū)域邊界的堆積是在軟區(qū)產(chǎn)生背應(yīng)力和在硬區(qū)產(chǎn)生正向應(yīng)力的最有效方式，從而產(chǎn)生高HDI應(yīng)力。堆垛層錯能量(SFE)應(yīng)該會影響GND堆積。低SFE促進(jìn)平面位錯滑移，使GND更容易堆積，而高SFE使GND更容易交叉滑移，避免長時間堆積。

因此，可以推斷SFE會影響HDI應(yīng)力的發(fā)展和HDI硬化。這需要系統(tǒng)的研究。在銅青銅層狀結(jié)構(gòu)的原位TEM研究中觀察到GND被推入?yún)^(qū)域邊界并被邊界吸收的情況。區(qū)域邊界對GND的吸收和傳輸在邏輯上將導(dǎo)致堆中GND數(shù)量的飽和。這些需要進(jìn)行研究，以便我們了解高密度脂蛋白的演變和高熱材料的機(jī)械行為。其他未知的GND-zone邊界相互作用也可能存在，這將在未來被發(fā)現(xiàn)。

第二個問題是分散剪切帶的成核和生長機(jī)制，以及它們與GND堆積的關(guān)系。迄今為止，在幾乎所有報道的HS材料中都觀察到了高度分散的應(yīng)變帶。HS材料將塑性變形分布在更長的標(biāo)距長度上，以延遲主要應(yīng)變局部化的形成，從而使樣品失效，這是一種有效的方法。探索局部應(yīng)變帶的成核和生長機(jī)制至關(guān)重要。一種假設(shè)是局部應(yīng)變帶的成核與一個或多個GND堆積有關(guān)，但這還有待實驗驗證。這對于理解HS材料的變形機(jī)制至關(guān)重要。此外，懷疑局部應(yīng)變帶最有可能是剪切帶，即由局部剪切應(yīng)變引起，

第三是計算研究，結(jié)合實驗研究，探索GND與區(qū)域邊界的相互作用，然后需要分析建模來推導(dǎo)方程，以預(yù)測最佳的異質(zhì)區(qū)域尺寸、幾何形狀和分布，以獲得最佳的強(qiáng)度-延性組合。迄今為止報道的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料主要是通過試錯法制成的。盡管我們已經(jīng)對如何設(shè)計HS材料有了一些基本的想法，正如上一節(jié)所討論的，但我們?nèi)匀粚S材料的了解不足以定量設(shè)計異質(zhì)結(jié)構(gòu)。最終目標(biāo)是使用其組成和所需的異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計HS材料，以獲得最佳的機(jī)械或物理性能。

第四個問題是結(jié)合不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來開發(fā)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)或三重異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并將異質(zhì)結(jié)構(gòu)與常規(guī)增韌機(jī)制如相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）、孿晶誘導(dǎo)塑性（TWIP）或變形孿晶等協(xié)同耦合。應(yīng)變硬化機(jī)制在不同的應(yīng)變階段依次激活，它可以在非常高的拉伸應(yīng)變下保持高應(yīng)變硬化率，即產(chǎn)生非常高的延展性。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)高熵合金中報道了多應(yīng)變硬化(SMSH)策略的順序激活，這是該方向和超細(xì)晶粒材料的首次成功嘗試。HS結(jié)構(gòu)之間以及與其他傳統(tǒng)增韌機(jī)制之間存在無限可能的組合，這為HS材料提供了廣闊的設(shè)計空間。

第五個問題是異質(zhì)結(jié)構(gòu)可控性好、可擴(kuò)展性好、加工成本低的加工技術(shù)的發(fā)展。這對于異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的實際商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。





審核編輯：劉清