卢磊金属研究所 中国科学院金属研究所研究员卢磊
“鱼与熊掌不可兼得”,这是我们在日常生活中时常面临的困境,因此很多时候,我们不得不做选择题。而有时,这种难题也会出现在科学研究中,但科学家却没有选择,因为现实情况要求他们“鱼与熊掌”必须兼得。
众所周知,导电材料中,绝大多数都是各种金属和合金材料。强度和导电性,是导体材料的两个至关重要的性能,因此在工业应用中,往往需要导体材料同时具有高强度和高导电性。例如,导电磁铁线圈中的导线既要承受巨大的电磁作用力,又要保持较低电阻,以降低电流导致的温度升高。故而,高强度和高导电性是超导磁铁中导线必不可少的重要性能。
然而,“鱼与熊掌不可兼得”的难题,恰好就出现在这里。因为在常规金属材料中,这两种性能往往相互抵触,不可兼得。通常,纯金属(如银、铜等)都具有很高的导电率,强度却很低。通过一些强化手段,我们可以提高金属的强度,如合金化(添加合金元素)、晶粒细化或加工强化,但问题是,通过这些技术进行强化后,金属材料的强度会有所提高,但电导率却会大幅度降低。
其原因在于,上述强化技术会在金属材料中引入各种缺陷,这些缺陷会显著增加材料对电子的散射,从而降低导电性能,也使电阻增大。
还有一些方法,比如复合材料法,虽然可以把材料的强度增强很多,导电性也有一定的提高,但这种方法的工艺非常复杂,得到的产品在性能上也不稳定,最关键的是成本非常高。因此,如何同时实现金属材料的高强度和高导电性,一直是一个悬而未决的科学难题。
2000年,这个难题摆在了卢磊面前。经过一段时间的摸索,她决定跳出既有方法的限制,在以前研究纳米晶体金属的基础上,她和同事决定尝试一种特殊的低能共格结构:纳米孪晶。如果两个晶体沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系,这两个晶体称互为"孪晶",这个镜面即为孪晶界面。
正是基于这种开创性的想法,卢磊和她的团队经过4年的不断尝试和努力,终于把不可能变成了可能。他们制备出的纳米孪晶纯铜体现出了极其优良的特性,不仅具有高强度、高导电性,而且还解决了另一个矛盾:纳米孪晶纯铜在具有高强度的同时,还具有很好的塑性和韧性——通常,高强材料的韧性一般都很低,而坚韧材料的强度又很低。
在高强高导材料领域,卢磊的研究是一个非常重要的突破,开辟了一个新的材料研究领域,未来的纳米孪晶结构材料不仅能够减少输电线的电能损耗,应用在微电子领域后,这些材料还能让我们的电脑、手机等产品越来越薄、越来越小,使用寿命也会越长久。
第九届中国青年女科学家奖评审会评语
针对金属材料高强度和高导电性相互矛盾这一难题,巧妙利用纳米孪晶强化机制,成功实现了铜的超高强度和高导电性,有可能为高强高导电材料的开发提供一个新途径。
