1樓：宮非
2020-09-29
梯度結構材料在自然界中就普遍存在，例如：竹子和貝殼就是典型的梯度材料，人類和動物的骨骼也具有梯度結構的特徵。根據不同的材料變形機理和製備工藝，梯度結構被越來越多地應用到工程材料中，比如通過在內部引入不同的梯度微結構，使材料具備更高的強度、硬度、加工硬化能力、延展性和抗疲勞效能。
經過多年發展，目前製備梯度結構材料的方法已經十分豐富，比如表面研磨、表面碾磨、物理或化學沉積、雷射衝擊等。
梯度奈米結構分類成：梯度奈米晶粒結構、梯度奈米孿晶結構、梯度奈米層片結構、梯度柱狀結構等四類。
這裡就必須先來說明什麼是梯度結構？材料中梯度奈米結構有不同的存在形式，大多數情況下，奈米結構部分處於材料表面，粗晶結構處於材料內部，這種梯度奈米結構表層可以充分發揮奈米結構的許多優異效能，大幅度提高塊體材料表面效能，以及許多表面結構敏感性能。也可以將奈米結構部分至於材料內部，粗晶結構在材料表面，這種構型也可能表現出一些獨特的效能，但目前研究工作不多。
盧柯（2015）在金屬學報中把梯度奈米結構分類成：梯度奈米晶粒結構、梯度奈米孿晶結構、梯度奈米層片結構、梯度柱狀結構等四類。這次的《2020 未來科學大獎》中盧柯老師正式以奈米孿經結構及梯度奈米結構已實現銅金屬的高強度、高韌性和高導電性而得獎。
梯度奈米結構可有效抑制應變集中，實現應變非局域化，其拉伸塑性優於普通粗晶結構。具有梯度奈米結構的純銅樣品其強度較普通粗晶銅高一倍，同時拉伸塑性不變，也突破了傳統強化機制的強度-塑性倒置關係，被應用在工業界並取得顯著經濟效益。
三種梯度塑性變形方式：表面壓入式梯度變形、表面碾磨式梯度變形和表面碾壓式梯度變形。
梯度奈米結構材料主要應用在幾個部分，像是表面硬度梯度與耐磨性、強度-塑性匹配、疲勞效能、表面合金化及表面變形粗糙度等方面。至於梯度奈米結構材料通常可通過梯度塑性變形，和梯度物理或化學沉積方法來製備。以梯度塑性變形來說，塑形變形可使金屬中產生大量缺陷（如位錯、晶界、孿晶界等），通過控制塑性變形條件可將晶粒組織細化至亞微公尺甚至奈米尺度。
晶粒細化的原理是變形使位錯大量增殖，位錯互動作用產生大量亞晶界和晶界，將原始的粗大晶粒逐步切分為細小晶粒。當晶粒細化到一定程度後，位錯的產生與結構回覆導致位錯湮滅相平衡，晶粒尺寸趨於穩定。穩態晶粒尺寸與材料類別和成分有關，一般純金屬的穩態晶粒尺寸在亞微公尺量級，合金材料的穩態晶粒尺寸可降至奈米量級。
梯度奈米結構的高耐磨性已得到工業應用，上海寶鋼研究所利用超聲機械研磨表面奈米化處理技術，對冷軋拉矯輥表面進行處理，在不改變材質的前提下大幅度提告了軋輥的耐磨性，使用壽命從原來的2-3 天增至6-9 天，這項技術已經在寶鋼公司量產。今後這一研究方向的重要挑戰之一是發展梯度奈米結構的製備加工技術，進一步擴大奈米結構梯度變化範圍及精確調控是關鍵。其次，梯度奈米結構材料研究方面仍有許多亟待解決基礎科學問題，包括梯度奈米結構力學、物理及化學效能之間的內在關係，梯度控制及其對各種效能的影響，梯度奈米結構中各層次的塑性變形機制特徵，以及它們所對應得均勻結構變形機制之間的差異、梯度奈米結構中各層次之間變形機制的相互作用和傳遞機制，梯度奈米結構的熱、機械及化學穩定性及其控制規律等。
坦白說，這是個新材料探索的嶄新領域，離「知道個所以然」還很遠，但值得材料界深入去接受挑戰！分類：
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