神仙家庭，兄妹俩都是Nature/Science的常客

材料服务于国民经济、社会发展、国防建设和人民生活的各个领域，成为经济建设、社会进步和国家安全的物质基础和先导，支撑了整个社会经济和国防建设。其中材料又主要分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料，这其中，金属材料是人类历史上系统的应用研究时间最长，在目前应用也较为广泛的一种重要材料。对其成分、组织结构、性能三者之间的关系及变化规律的研究也显得至关重要。

传统金属材料四大经典强化理论主要是：1）形变强化（加工硬化）；2）固溶强化；3）第二相强化；4）细晶强化。但传统的强化技术均会使材料的塑性、韧性、导电性、热稳定性等显著下降。金属材料强度-塑性/韧性/导电性等的“倒置”关系限制了金属材料在更高水平和更广范围的应用，成为制约金属材料发展和应用的主要瓶颈。

中科院金属所卢柯院士团队十余年来持续开展纳米金属材料的制备、力学行为及其机理、应用探索等研究，提出金属材料的纳米孪晶强韧化机制，成为金属材料四大经典强化理论之外又一重要强化理论。这个发现突破了强度-导电性倒置关系并开拓了纳米金属材料一个新的研究方向。纳米孪晶强化原理已经在多种金属、合金、化合物、半导体、陶瓷和金刚石中得到验证和应用，成为具有普适性的材料强化原理。

在纳米孪晶和块体纳米结构金属材料领域，不得不提一位专家卢磊研究员，她的二哥正是卢柯，兄妹俩都是Nature/Science的常客！

【学习型家庭】

父母都是中学教师。父亲卢甲骥毕业于郑州大学数学系，文革前支边到甘肃华池，在华池一中、二中做数学老师，所以卢军三兄妹数学极好。哥哥卢军比卢柯大两岁，中国著名高尔夫大球场设计师，1993年开始高尔夫球场设计工作，是我国第一批从事球场设计并坚持至今的设计师之一。至今已完成中国40余座高尔夫球场设计，作品曾获中国“最佳球场设计奖”和“最佳新球场奖”。中国高尔夫协会场地委员会2008年特授予他“中国资深高尔夫球场设计师”称号；高尔夫传媒（中国）2009年授予他“杰出球场设计师”称号。他与苏德荣教授合著的《高尔夫球场设计学》一书，填补了中国高等院校高尔夫设计教材的空白。

二哥卢柯，16岁上大学，38岁当选院士，我国著名的材料科学家，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、德国科学院院士、美国国家科学院外籍院士。现任十三届全国政协常委，辽宁省副省长，九三学社中央副主席，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心主任。

妹妹卢磊同为中科院金属研究所的研究员，是祖国材料科学领域的重要专家。卢甲骥曾说,「我家支边,最大的收获就是三个孩子都有了出息。」除卢军外，卢家都住在沈阳金属研究所大院，在浓厚的科学氛围下，据悉卢家的第三代也选择了攻读材料科学方向。

【巾帼不让须眉，卢磊简介】

卢磊，博士，女，中科院金属研究所研究员、博士生导师，中科院人才计划、国家杰出青年科学基金、国家级人才计划获得者，科技部“纳米科技”重点专项总体专家组成员，辽宁省“兴辽计划”创新领军人才等。

现任国际纳米材料、国际材料强度大会委员会委员；Acta Materialia和Scripta Materialia期刊编辑。主要从事纳米结构金属材料的制备、力学性能及变形机理的基础研究。发表SCI论文110余篇（其中包括Science5篇，Nature 2篇）, 被SCI文章引用>15000次，获国内发明专利15项，国际发明专利6项。近年来在国际学术会议做大会、主题和邀请报告70余次。曾获中科院院长奖学金特别奖、全国优秀百篇博士学位论文奖、中国青年女科学家奖、2014-2016年获汤森路透“全球高被引用科学家”，2015-2020年获爱思唯尔“中国高被引学者”、2019-2020年获中国科学院“优秀导师奖”、2021年获“TMS Brimacombe Medal Award”等奖项。

卢磊研究员课题组主要从事块体纳米结构金属材料的研究，包括样品制备、微观结构表征、结构稳定性、综合力学性能和理化性能。通过理解其结构性能关系，揭示纳米结构金属材料的强韧化机理。课题组瞄准国际前沿和国家重大需求，坚持原创性研究，不断拓宽研究基础，致力于在多尺度纳米金属材料的结构设计、制备技术方面取得突破，深入研究多尺度纳米金属材料结构稳定性、微观结构与性能的本征关系，揭示多尺度纳米金属材料强韧化机理，实现金属材料综合性能的整体提高。同时课题组注重人才培养，特别是研究生队伍科研能力和综合素质的培养与提高，以为材料科学研究培养优秀后备人才为重要使命。

【7篇正刊集锦】

1、Science:具有卓越强度和延展性的梯度单元结构高熵合金

多主元高熵合金的强度提高往往伴随塑性的降低，这种强塑性相互矛盾主要来源于金属材料的塑性变形机理。即材料中的线缺陷，如位错的运动贡献塑性，但位错的堆垛与塞积则贡献强度。近期，中国科学院金属研究所卢磊研究员（第一通讯）团队与美国田纳西大学、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室的科学家合作在这一科学难题研究方面取得重要进展。研究人员通过小角度往复扭转梯度塑性变形技术，在Al_0.1CoCrFeNi高熵合金中引入梯度位错胞稳定结构，同时保持其原始晶粒的形貌、尺寸和取向不变。拉伸力学测试结果表明：这种新型结构不仅显著提高材料屈服强度，是粗晶和细晶材料的2-3倍。同时还使其保持良好的塑性和稳定均匀的加工硬化。其强塑积-屈服强度匹配明显优于文献报道中相同成分的均匀或梯度结构材料。对变形机理的研究结果表明：从材料的顶部表面到心部，合金在变形过程中存在显著的连续硬化。这种硬化特性与梯度纳米晶常规金属的变形诱导连续软化的机制有很大的不同。高熵合金中梯度位错结构在塑性变形过程中激活了不全位错--层错的相互作用，从而诱导塑性变形机制。在变形初期，纳米级别的细小层错从位错胞壁形核、然后不断滑移并扩展，其密度随拉伸应变增加而增加，逐渐演变成超高密度三维层错（和少量孪晶界）网格，直至布满整个晶粒。超高密度细小层错/孪晶的形成与位错相互作用，协调变形。一方面有效促进了其塑性变形并进一步细化初始位错结构、阻碍其它缺陷运动而贡献强度。另一方面，层错和孪晶的形成阻碍了位错的平均自由程，增加了合金内部缺陷的密度，从而导致合计超级的加工硬化，提高了整体的塑性变形。

图 1. Al_0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位错结构

论文链接：

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abj8114.

2、Science: 梯度纳米孪晶结构材料强度—加工硬化的协同提高

自然界中梯度结构无处不在。近来，微观结构梯度的概念被越来越多地应用于工程材料中。鉴于其独特的变形机制，梯度结构材料普遍表现出较好的强度、硬度、加工硬化及抗疲劳性能等。但如何理解结构梯度对力学性能的影响规律长期以来面临巨大挑战。其原因之一是现有技术很难制备出结构梯度精确可调控的块体材料，如表面加工或机械处理技术所获样品梯度层体积分数及结构梯度均有限，从而严重限制了人们对梯度结构金属内在梯度与力学性能相关性以及其本征变形机制的理解。

中国科学院金属研究所卢磊研究员课题组(第一通讯)和美国布朗大学高华健教授研究组合作在这一领域取得突破性进展。他们使用直流电沉积方法合成体梯度纳米孪晶纯铜样品，其均匀纳米孪晶组分的图案化可控。单个组件由嵌入微米级柱状晶粒内的高密度、优先取向的纳米级孪晶界组成。他们观察到梯度引起的拉伸强度和加工硬化速率通过跨越整个样品厚度的广泛结构梯度（双晶界间距和晶粒尺寸）增强。他们将扫描电子显微镜、透射电子显微镜中的双光束衍射技术和大规模平行原子模拟相结合，以确定梯度纳米孪晶Cu的潜在强化机制。他们发现增加结构梯度可实现梯度纳米孪晶结构材料强度—加工硬化的协同提高，甚至可超过梯度微观结构中最强的部分。梯度纳米孪晶强化的概念结合了多尺度结构梯度，进一步提高了材料的强度极限，并为发展新一代高强度/延性金属材料提供了新思路。

图 2. 高度可调的结构梯度，可提高金属的强度和可延展性

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aau1925.

3、Nature: 纳米孪晶金属与历史无关的稳定循环响应

近90%的金属部件和结构的使用故障是由循环应力幅值远低于相关材料的抗拉强度时的疲劳引起的。金属在循环变形过程中通常会遭受大量累积的、不可逆的微观结构损坏，导致不稳定（硬化或软化）和历史相关的循环响应。现有的疲劳寿命预测规则，例如线性累积损伤规则，无法考虑加载历史的影响，工程部件通常受到振幅、平均值和频率可变的复杂循环应力的加载，例如湍流空气中的飞机机翼.因此，在实际载荷谱下预测循环行为和疲劳寿命通常极具挑战性。中国科学院金属研究所卢磊研究员课题组(第一通讯)和美国布朗大学高华健教授研究组通过原子模拟和应力幅度低于金属拉伸强度的可变应变幅度循环加载实验，他们报告了包含高度取向的纳米级孪晶的块状铜样品的历史独立且稳定的循环响应。他们证明这种不寻常的循环行为是由一种相关的“项链”错位控制的，该错位由相邻双胞胎中的多个短组分错位组成，像项链的链节一样连接。这种位错在循环加载下在高度取向的纳米孪晶结构中形成，并有助于维持孪晶边界的稳定性和可逆损伤，前提是纳米孪晶在加载轴的约度内倾斜。这种循环变形机制不同于与单晶、粗晶、超细晶和纳米晶金属中不可逆微观结构损伤相关的常规应变局部化机制。

图 3. 纳米孪晶Cu与历史无关的稳定循环响应行为

论文链接：

https://www.nature.com/articles/nature24266.

4、Nature: 位错成核控制纳米孪晶金属的软化和最大强度

晶格位错的形核和运动是多晶体材料的基本塑性变形机制。在传统多晶金属材料中位错的形核增殖和储存空间很大，因此其塑性变形过程往往由晶格位错的运动所决定，而位错形核通常不是塑性变形过程的主导因素。阻碍晶格位错运动的缺陷（如晶界或第二相颗粒等）越多，金属材料的强度则越高。然而对于纳米金属材料（晶粒尺寸在纳米量级），这一基本规律受到挑战，即由于晶粒内部空间减小和晶界的约束作用，使晶格位错的形核及运动在不同程度上均受到严重抑制，位错形核及运动在材料塑性变形过程和力学行为中的作用将呈现新的特征。

美国布朗大学高华健教授研究组、美国阿拉巴马大学魏宇杰教授与中国科学院金属研究所卢磊研究员（参与）和卢柯研究员合作，利用大规模分子动力学模拟（1.4亿个原子）和位错形核分子动力学理论研究了纳米孪晶结构金属材料的变形机理，发现当孪晶片层厚度减小到临界值时出现极植强度，此时由位错塞积和位错穿过孪晶界为主导的传统强化机制（通常符合Hall-Petch关系）将转变为由平行于孪晶界面不全位错的形核和运动（引起孪晶界迁移）而主导的软化机制。该计算模拟结果成功地解释了纳米孪晶Cu样品中的极值强度和临界孪晶片层厚度的关系，同时进一步表明了该极值强度与晶粒尺寸的依赖关系，即晶粒尺寸越小，临界孪晶片层尺寸也越小，从而材料的极值强度越高。该研究从计算模拟的角度揭示了纳米孪晶结构金属中位错形核源主导的特殊塑性变形机理，这不仅深化了人们对金属材料力学行为及变形机理的纳米尺寸效应的理解，同时也对纳米孪晶结构金属材料的基础研究和实际应用具有重要的理论价值。

图 4. d=20 nm样品中的位错结构

论文链接：

https://www.nature.com/articles/nature08929.

5、Science: 通过在纳米尺度上设计相干内部边界来增强材料

提高材料的强度是几个世纪以来材料研究的核心问题。迄今为止强化技术的实质是通过引入各种缺陷（点缺陷、线、面及体缺陷等）阻碍位错运动，使材料难以产生塑性变形而提高强度。但材料强化的同时往往伴随着塑性或韧性的急剧下降，造成高强度材料往往缺乏塑性和韧性，而高塑韧性材料的强度往往很低。长期以来这种材料的强韧性“倒置关系”成为材料领域的重大科学难题和制约材料发展的重要瓶颈。

如何提高材料的强度而不损失其塑性？这是众多材料科学家面临的一个重大挑战。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢柯研究员、卢磊研究员（参与）与美国麻省理工学院S.Suresh教授合作，在过去大量研究工作的基础上提出，为了使材料强化后获得良好的综合强韧性能，强化界面应具备三个关键结构特征：(1)界面与基体之间具有晶体学共格关系；(2)界面具有良好的热稳定性和机械稳定性；(3)界面特征尺寸在纳米量级(<100nm)。进而，他们提出了一种新的材料强化原理及途径----利用纳米尺度共格界面强化材料。在2009年4月17日出版的《Science》周刊上刊登了他们的特邀综述论文，详细阐述了这项重要研究成果。

图 5.用于强化金属和合金的结构修改示例的示意图

论文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1159610.

6、Science: 揭示纳米孪晶铜的最大强度

多晶材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增加，如众所周知的Hall-Petch关系所描述的。强化源于晶界阻碍了晶格位错运动，从而使较小晶粒尺寸下的塑性变形更加困难。然而，在某个临界尺寸以下，主要的变形机制可能会从晶格位错活动转变为其他机制，例如与晶界相关的过程，并且预期会出现软化行为（而不是强化）。原子模拟已经证明了这种软化现象，并且预测了最大强度的临界晶粒尺寸。在纯金属中，确定产生最高强度的晶粒尺寸的一个障碍是获得具有极小结构域（几纳米数量级）的稳定纳米结构的实际困难。纯金属中纳米尺寸晶粒生长的驱动力，源于众多晶界的高过剩能量，变得如此之大，以至于即使在环境温度或更低的温度下也很容易发生晶粒生长。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢磊研究员（第一作者与通讯作者）领导的研究小组与卢柯研究员、丹麦国家实验室黄晓旭博士合作研究了不同孪晶厚度的纳米孪晶铜样品的最大强度。他们发现强度随着孪晶厚度的减小而增加，在 15 纳米处达到最大值，然后在较小的值处软化，伴随着增强的应变硬化和拉伸延展性。最强的孪晶厚度源于屈服机制的转变，从跨越孪晶边界的滑移转移到预先存在的易位错源的活动。值得一提的是，“纳米孪晶纯铜极值强度的形成机制”入选2009年度中国基础研究十大新闻。

图 6. 具有不同平均孪晶厚度的沉积态铜样品的TEM图像

论文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1167641.

7、Science: 铜的超高强度和高导电性

对于许多应用中的导电材料，通常同时需要高导电性和高机械强度。但是，Ag、Cu和Al等具有高导电性的纯金属非常柔软。通过各种方法强化金属，包括固溶合金化、冷加工和晶粒细化，会导致电导率显着降低。例如，将纯铜合金化可以使强度提高两到三倍，但铜合金的导电率仅为纯铜的10%至40%。

固体的强度取决于固体对塑性变形的抵抗力，它对固体的化学成分和微观结构很敏感。传统多晶金属的塑性变形主要由单个晶粒内的晶格位错进行。已经开发了几种强化方法来限制位错运动。例如，细化晶粒会引入更多的晶界(GB)，这是晶内位错运动的障碍，使材料更难变形。固溶合金化或引入第二增强相对于形成晶格位错运动的障碍也是有效的。塑性应变也会导致硬化，因为会产生更多的位错来阻止进一步的位错活动。

所有这些基于引入各种缺陷（GB、位错、点缺陷或增强相）的强化方法也增加了导电电子在这些缺陷处的散射，从而增加了金属的电阻率。对于导电材料，这两个基本性质，高导电性和高机械强度，是矛盾的。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢磊（第一作者）与卢柯研究员（通讯作者）合成了具有高密度纳米级生长孪晶的纯铜样品。它们的抗拉强度比传统粗粒铜高约10倍，同时保持与纯铜相当的导电性。超高强度源于众多相干孪晶界对位错运动的有效阻挡，这些孪晶界具有极低的电阻率，而其他类型的晶界则不然。

图 7. 沉积态Cu样品中典型微观结构的TEM观察

论文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1092905.

来源：高分子科学前沿

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