“營養又美味”的金屬“漢堡”
2020年10月29日10:20

  來源:中科院之聲

  漢堡由麵包、蔬菜、肉餅和芝士堆疊而成,因美味且提供豐富的營養成為了人們重要的食物形式之一。其中,麵包提供了碳水化合物,蔬菜貢獻了豐富的維生素,肉餅提供了蛋白質,而芝士則含有大量的脂肪。因此,這小小的漢堡滿足了我們人類日常所需的各項營養物質。

圖1 含有豐富食材的漢堡
圖1 含有豐富食材的漢堡

  金屬材料是工業發展不可或缺的重要“食材”,尤其是在面向核聚變能的應用中,其不僅要支撐聚變裝置的主體結構,更要具備一定功能性。

  倘若一種或多種金屬“食材”被製備成具有“漢堡”一樣的結構,那是否能發揮更大的作用呢?

圖2 聚變實驗堆內部金屬構件
圖2 聚變實驗堆內部金屬構件

  中國科學院合肥物質科學研究院方前鋒研究員課題組利用特殊的製備工藝,創造性的“編碼”銅铌納米疊層材料的微觀結構尺度分佈,實現了類似於“條形碼”形貌的多尺度、多級特徵結構。

  其中,不同尺度分佈的單元可以扮演“漢堡”中“麵包、蔬菜、芝士”等角色。

  即多尺度結構實現了多級強化機製的配合,如細晶強化、位錯強化、裂紋阻礙等,因此極大地提高了材料的強度和可加工性。

圖3 納米疊層金屬中類似“漢堡”的多尺度結構及其強化機製
圖3 納米疊層金屬中類似“漢堡”的多尺度結構及其強化機製

  此外,多級結構還能調控“漢堡”口味。

  即通過控制加工過程中材料內部應力場的變化構建出不同的界麵類型,利用不斷累積的失配位錯與界面發生相互作用,可控地形成有序共格、化學混合以及無序非晶界面。

  研究人員通過氦離子輻照實驗及分子動力學模擬分析得出,正是這種具有化學混合和非晶結構特徵的三維界面(3D)有效抑製了聚變反應產生的輻照缺陷對材料性能的不利影響。

圖4 不同界面的原子結構以及對輻照缺陷的反饋
圖4 不同界面的原子結構以及對輻照缺陷的反饋

  此外,這種高密度的化學混合界面結構增強了對磁通線的釘紮效應,提高了材料的超導電流負載能力。該項研究基於實驗設計與理論模擬相結合,驗證了構造多級特徵結構以實現高性能材料的有效策略,同時利用特殊界面調控氦泡生長的動力學過程,最終使銅铌疊層材料具有優異的機械、超導和抗輻照性能,並有望應用於核聚變領域。

  相關論文發表在金屬材料領域國際期刊 Acta Materialia 上,論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420305371。

  來源:中國科學院合肥物質科學研究院

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