上海大學(xué)《Nature》子刊：獨(dú)辟蹊徑！實(shí)現(xiàn)3.6GPa屈服、超50%塑性的納米晶金屬材料

納米金屬材料憑借其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，為先進(jìn)核能系統(tǒng)提供了革命性的解決方案。其內(nèi)部海量的晶界如同一個(gè)高效的“智能防御系統(tǒng)”，能顯著增強(qiáng)材料的抗輻照損傷能力，抑制腫脹與氦脆，同時(shí)賦予其更高的強(qiáng)度。這些核心優(yōu)勢使其成為開發(fā)更安全、更耐用、性能更卓越的未來核反應(yīng)堆（尤其是聚變堆和第四代裂變堆）關(guān)鍵部件（如包殼和結(jié)構(gòu)材料）的極具潛力的候選者。然而，當(dāng)材料的晶粒尺寸減小至20納米以下時(shí)，經(jīng)典的晶粒細(xì)化強(qiáng)化機(jī)制不再適用，出現(xiàn)所謂的“反霍爾-佩奇效應(yīng)”，導(dǎo)致材料強(qiáng)度不增反降，并伴隨著塑性急劇惡化，致使強(qiáng)度與塑性之間呈現(xiàn)嚴(yán)重倒置關(guān)系。這一長期存在的科學(xué)難題與技術(shù)瓶頸，嚴(yán)重制約了納米金屬材料的工程應(yīng)用。

在此背景下，上海大學(xué)核電關(guān)鍵材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固定成員卞西磊副研究員指導(dǎo)2024級(jí)博士研究生俞瀟龍，在納米尺度（晶粒尺寸小于20納米）核電用關(guān)鍵金屬材料強(qiáng)韌化領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。相關(guān)成果以“Oxygen nanoclustering evades inverse Hall-Petch softening”為題，在線發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications 16, 10602 (2025)）（影響因子：15.7）。同行評(píng)議中，兩位審稿人分別給予高度評(píng)價(jià)：“a piece of quite comprehensive work”（一個(gè)非常全面的工作）；“presents an interesting and intriguing finding”（呈現(xiàn)了一個(gè)有趣且引人入勝的發(fā)現(xiàn)）。該研究工作由上海大學(xué)聯(lián)合西安交通大學(xué)、奧地利科學(xué)院Erich Schmid材料研究所、香港城市大學(xué)及北京科技大學(xué)等多家單位合作完成。上海大學(xué)為論文第一完成單位和通訊單位。上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2024級(jí)博士生俞瀟龍論文為第一作者，上海大學(xué)卞西磊副研究員、王剛教授、王慶研究員和西安交通大學(xué)劉暢教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66181-1

研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，選擇CoCrNi中熵合金為基體，采用磁控濺射技術(shù)引入大量間隙氧原子，成功制備出平均晶粒尺寸僅為3納米的(CoCrNi)87O13模型合金。研究發(fā)現(xiàn)，氧原子在合金中并非均勻分布或形成脆性氧化物，而是自發(fā)形成了納米尺度的富（Cr, O）團(tuán)簇。這些富氧團(tuán)簇通過“晶內(nèi)-晶界”聯(lián)動(dòng)機(jī)制，同步提升強(qiáng)度與韌性：一方面，晶內(nèi)團(tuán)簇通過釘扎位錯(cuò)并促進(jìn)其增殖，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化；另一方面，氧原子在變形中被拖曳至晶界富集，通過增強(qiáng)鍵合并降低晶界能來穩(wěn)定界面，從而抑制了晶粒粗化、晶界滑移及剪切帶的形成，實(shí)現(xiàn)韌化（圖1）。

圖1. “氧納米團(tuán)簇”設(shè)計(jì)策略示意圖及微觀結(jié)構(gòu)表征

得益于這一獨(dú)特的“氧納米團(tuán)簇”結(jié)構(gòu)，該3納米晶粒尺寸的合金同時(shí)實(shí)現(xiàn)了約3.6 GPa的超高屈服強(qiáng)度和超過50%的均勻壓縮塑性，成功規(guī)避了“反霍爾-佩奇軟化”，其綜合性能顯著優(yōu)于目前已報(bào)道的各類面心立方納米金屬材料，突破了當(dāng)前金屬材料的強(qiáng)塑性極限（圖2）。更重要的是，該策略在FeCrNi-O和HfNbTiZr-O等多種合金體系中均展現(xiàn)出良好的普適性，證實(shí)了“氧納米團(tuán)簇”可作為一種通用的納米材料強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)新范式。

圖2. CoCrNi-O合金力學(xué)性能

該研究成果不僅為設(shè)計(jì)兼具超高強(qiáng)度和大塑性的納米結(jié)構(gòu)材料提供了全新的、通用的設(shè)計(jì)策略，而且顛覆了“大量氧元素導(dǎo)致金屬脆化”的傳統(tǒng)認(rèn)知，在極端工況下要求抗輻照、高強(qiáng)韌性的核反應(yīng)堆關(guān)鍵材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本工作是上海大學(xué)核電關(guān)鍵材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室無序合金團(tuán)隊(duì)在納米結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域的系列突破之一，得到了國家自然科學(xué)基金（52171159）、上海市自然科學(xué)基金（22ZR1422500）、上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（No. 24CL2901500）、上海市探索者計(jì)劃（No. 25TS1401900）、中國載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)（KJZ-YY-NCL08）等項(xiàng)目的大力支持。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。

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