导读：本文提出了“纳米粒子分散于纳米晶粒”的策略，以同时加强和稳定纳米晶粒金属。该策略依靠的是均匀的分散在纳米颗粒内的极细尺寸的碳纳米粒子（2.6±1.2 nm）。纳米粒子在颗粒内的分散不仅将纳米晶粒的强度提高了35%，而且还激活了多种通过位错与纳米颗粒的相互作用激活多种硬化机制，从而导致改善加工硬化和大的拉伸延展性。此外，这些精细分散的纳米粒子使金属纳米复合材料的热稳定性和导电性大大增强。

高强度材料往往由于缺乏加工硬化而受到影响，使其容易出现裂纹和灾难性的破坏。纳米晶体金属（平均晶粒尺寸小于100 nm），表现出低的加工硬化能力。导致有限的拉伸延展性，加上低热稳定性和导电性差。通过一种或多种元素的合金化方法原则上可以解决上述的一些限制，但往往伴随着高成本和导电性的进一步降低。由于在晶界（GBs）上的元素偏析，它还面临着可持续性和有时晶间脆性的挑战。

另一种加强细粒材料的方法是利用纳米级的加固材料，由此产生的纳米复合材料可以表现出强度、热稳定性和电导率。然而，这些加固材料往往会沿着GBs聚集或分布在一起，造成局部应力集中，界面脱粘和过早失效。因此，要在纳米材料中实现强度、延展性和热稳定性的同时改善，仍然是一个挑战。同时改善纳米颗粒金属的强度、延展性和热稳定性，这类高强度材料具有广泛的应用前景。

在此，上海交通大学张荻教授团队报告了一种“纳米粒子分散在纳米晶粒中”的策略，以实现增强的机械性能和热稳定性以及导电性。与通常采用的方法不同的是，他们实现了均匀的高密度的碳纳米粒子的粒内分散。细致分散的纳米颗粒不仅可以放大纳米晶粒的强化效果，而且还通过位错-纳米晶粒激活了多种硬化机制。从而使纳米晶的高强度、加工硬化和拉伸延展性得到独特的组合。

他们通过将碳纳米颗粒引入到纳米晶铜（nc-Cu）和镍（nc-Ni）中来证明纳米分散在纳米晶粒中的策略。纳米碳（粒径为2.6±1.2 nm）在铜纳米颗粒内的高密度（5.6×1023米）（颗粒大小为63±16 nm）。这种颗粒内的纳米分散使纳米碳的两级硬化机制成为可能。从而提高强度和延展性。密集的纳米分散毛皮提供了对晶粒粗化的强大阻力。因此，nc-Cu复合材料（例如，0.8 vol.% C）实现了高抗拉强度（1252±22 MPa），均匀伸长率（13.3±0.9%）和高热稳定性（1小时内稳定在0.72Tm，其中Tm是Cu的熔化温度）同时还具有更好的导电性。该策略因此代表了一种有效的手段，打破了几个相互排斥的特性之间的权衡。他们还使用同样的方法来生产具有出色性能的纳米镍复合材料，强调了纳米分散技术的普遍适用性。

相关研究成果以题“A nanodispersion-in-nanograins strategy for ultra-strong, ductile and stable metal nanocomposites”发表在国际著名期刊Nature上。

链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33261-5

图1 分散在超纳米碳（unc）颗粒中的nc-Cu复合材料的微观结构

a 明视场(BF)TEM图像显示了合成后的纳米晶粒，如插图中几乎均匀的衍射环所证实。b 锥形铜的HAADF-STEM图像，C含量为0.8 vol.%，其中观察到高密度的unc颗粒。一些在晶粒内和沿晶粒边界的unc颗粒在晶粒内和沿晶界（GBs）分别用白色和红色箭头表示。红色箭头分别表示。BF-和HAADF-STEM图像一起被用来识别GBs。c b中框内区域的EELS C成像图，其中GB由白色虚线划定。d 直方图显示了不规则颗粒的尺寸分布和它们在颗粒内部的位置。的直方图，如STEM所测量的，它们在晶粒内部或GB的位置；252个unc颗粒中的92%在晶粒内部。e 复合材料的同步辐射X射线衍射（SXRD）图。插图是方框内区域的放大光谱，显示除了Cu的峰之外没有其他的峰，在Cu-C界面没有形成碳化物。f 近缘X射线吸收精细结构（NEXAFS）光谱，nc-Cu复合材料（0.8 vol.% C）的C-K边缘观察到一个由Cu-C共价键产生的独特峰值（~290 eV）。

图2 nc-Cu复合材料的高分辨TEM和APT表征

a 高分辨率的HAADF-STEM图像，沿区轴线拍摄的UNC颗粒附近的局部原子结构。

沿着区轴线拍摄的xc粒子附近的局部原子结构的高分辨率HAADF-STEM图像，正如快速傅里叶变换（FFT）图案所确认的那样。b a的FFT过滤图像。颜色从黑色到黄色表示强度从低到高。插图是该区域的C成像图，显示低强度区域对应于unc（由于STEM图像对原子序数Z的敏感性），插图显示了两个unc颗粒的FFT图像（为清晰起见，见c）。c 强度曲线沿着b中的线，在未包含的区域观察到原子强度的下降。区域的原子强度下降。黄线代表了铜矩阵平均原子强度的90%。黄线代表了铜基体的平均原子强度的90%，被作为截止强度来估计铜基体的直径（4.1 nm）。d 未包含区域的εxx和εyy的应变图。参考的零应变区域选自无位错区域（a的左上角）。在无位错区域附近没有观察到明显的应变集中。e-f 用阈值等值面重建的C背景和unc颗粒的侧视APT图像g f中的放大区域显示了一个有代表性的unc粒子。代表性的unc粒子，以及Cu的原子分布（显示10%的Cu原子以降低背景强度），和其他检测到的杂质。h 统计直方图显示了UNC颗粒的大小分布，颗粒（124个计数），平均颗粒大小为2.5±1.2nm。内页显示了unc颗粒的APT图像，表明其几乎是球形的。

图3 镍钴合金复合材料的拉伸性能和热稳定性。

a 纯镍钴和镍钴复合材料（分别为0.4 vol.%和0.8 vol.%C）的代表性拉伸工程应力-应变曲线。所有的拉伸试验都是在应变率为5×10-4 s-1和室温下进行的。发生缩颈的应变颈缩发生的应变用开放的三角形标出，对于纯正的镍钴插图显示了的屈服强度和均匀伸长率同时得到改善。b 实验测量的应变硬化率dσ/ dε（与σ和dε有关），dε（其中σ和ε分别为真实应力和真实应变），c 应变硬化指数（n = d(lnσ)/d(ln)）是应变的函数。f  nc-Cu复合材料的热稳定性：nc-Cu复合材料的累计面积分数与晶粒尺寸的关系。

图4  钴-铜复合材料的强化和硬化机制

a 钴-铜复合材料（0.8 vol.% C）拉伸断裂后的BFSTEM图像。b 同一区域的BF-和HAADF-STEM图像。c unc颗粒的尺寸分布直方图和对应的位错钉住概率。共检查了127个颗粒。直径较大的颗粒被发现有较高的错位钉住的概率。d高分辨率的HAADF-STEM图像显示了在一个Uc粒子附近的原子结构。e 高分辨率HAADF-STEM图像的变形微结构。g MD模拟的快照，其目的是为了让强烈的位错绕过以平面外方向排列的unc粒子的定期阵列。显示了位错和非晶体颗粒周围的局部应变场，以及位错之间的长程弹性相互作用，显示了在钉住unc粒子期间的三维位错结构。k 系统上形成的位错环，具有较低的分辨剪切应力。h-k中的原子是通过共邻分析着色的。l 从两阶段硬化模型得到的应力-应变反应，与实验结果比较。

图5 - 纯镍和镍的微观结构、拉伸性能和热稳定性。

a nc-Ni复合材料（0.8 vol.% C）的明场TEM图像。插图显示了复合材料的镍晶粒尺寸分布c nc-Ni复合材料（0.8 vol.% C）的C-K边缘的NEXAFS谱。Ni-C化学键，它对应于290.3 eV的吸收峰被识别。d nc-Ni 和 nc-Ni 复合材料的代表性拉伸工程应力-应变曲线。屈服强度、断裂强度和均匀伸长率同时得到提高。e 镍钴合金复合材料的热稳定性。nc-Ni复合材料（0.8 vol.% C）和在不同温度（973 K至1193 K）下退火后的累积晶粒面积分数。f nc-Ni和nc-Ni复合材料的电阻率是在1073K退火1小时后测量的。nc-Ni复合材料的电导率（0.8 vol.% C）比nc-Ni的电导率高77%。

总而言之，通过纳米分散在纳米晶粒中的策略克服了纳米颗粒金属的几个主要缺点。该研究表明碳纳米粒子在纳米晶体中的均匀晶间分散是一种有效的方法来实现增强的加工硬化从而实现高延展性，同时改善热稳定性和导电性。这些综合性能超过了其他纳米结构策略所实现的性能因此。在纳米晶粒中的纳米分散代表了一种有前途的方法，可广泛用于制造超强度、韧性和稳定的金属纳米复合材料在未来的结构和功能方面的应用。