在克服材料的多重性能不平衡问题方面，生物启发的（仿生）多级设计展示了一种极其有效的微结构解决方案。然而，以简单可行且综合系统的方式定制多层级结构至今仍然极具挑战性，特别是针对于块体大尺寸材料。我们报告了一种反直觉的解决策略——探索对铸态块体合金中高度发达的枝晶多级体的多尺度微结构遗传。即：在优化的热机械加工过程中，我们仔细控制这些发达的枝晶逐步变形、拉长、排列和细化，而不是像传统加工中那样完全破坏这些枝晶。因此，一种多级的纤维层片(HFL)异质结构（类似于贝壳、竹子的微观组织）在极其重要的CuCrZr工程材料中被可控地设计并制备出来。我们揭示这种创新的HFL异构设计可以促进顺序的、跨尺度相互作用以及具有优异仿生属性的多重协同机制，因而产生了卓越的多功能特性，特别是实现了创纪录的高强度-高延展性-高导电性结合，而传统材料中强度和塑性、强度和导电性是两类此消彼长的矛盾，很难兼顾。在更基本的层面上，我们发现通过巧妙利用HFL异构诱导的复杂多层级内应力，可以激活多种以前无法实现的变形和强化机制。这些独特的属性在多个长度尺度上顺序运行、相互作用，包含从致密多样化的位错捕捉、大规模的堆垛层错增殖、9R相辅助的纳米孪生、自缓冲的剪切带到不断增强的异质变形诱导（HDI）应变硬化。这些显著的特性甚至还创造了优异的、远远超过传统均质结构的各种耐超高应变速率的动态力学性能。枝晶在合金材料中普遍存在，但通常是不受欢迎的，而我们的“生物启发、遗传衍生”策略却超常规地利用了它们，因而实现了前所未有的高品质多功能性。
本研究成果发表在国际著名期刊《Materials Today》上（2023年影响因子：24.2），论文题目“Bioinspired, heredity-derived hierarchical bulk multifunctional copper alloys”（仿生、遗传衍生多层级强化的大尺寸多功能铜合金）。
铜铬锆合金，因具有高强度和高导电性特点，是一类非常重要的结构、功能材料，也被誉为第三代高铁接触线材料，在高铁、模具、新能源汽车、核聚变、微电子、航空航天中具有广泛应用，但铜铬锆合金制备过程中，由于铬锆合金元素具有极高的化学活性，很容易被氧化、跟炉衬或覆盖剂反应而损耗掉；而在连铸凝固过程中，连铸坯很容易晶粒粗大、热裂而拉断，而成分偏析也极为严重，因此多年来铜铬锆合金一直无法有效突破大尺寸连续生产、以及力学-功能性能不平衡等难题，国内外众多科学家围绕该种合金的制备和成型进行了多年的研究，但上述制备和性能强化矛盾仍然是未得到很好解决的业界难题。近二十年来，钟云波教授团队围绕铜铬锆合金的制备和性能强化难题展开了深入的研究，自主开发出全新的非真空熔炼-电磁旋振连铸-强塑性变形-高效热处理制备技术，实现了高性能铜铬锆合金近100%的成材率及长尺寸超细晶连铸制备，将φ32mm的铜铬锆合金连铸坯挤压成φ14mm的铜铬锆合金棒材（变形比仅为78%），经时效热处理等微结构调控手段，基于前述的仿生、遗传衍生多层级强化机制，制备的铜铬锆棒材的抗拉强度达到654MPa、延伸率大于10%、电导率大于79.8%IACS，这一综合性能在文献报道中处于国际领先地位，全面达到国家铁道集团公司标准-高铁接触线性能要求。上述研究内容也成为2023年中国有色金属工业十大进展之一——“高强高导高弹铜及铜合金磁控超常冶金制备技术”的典型范例，并入围2023年中国有色工业科技进步一等奖（公示结束）。铜铬锆合金材料的强度、塑性及电导率的同步提升，表明钟云波教授团队提出的多层级异构材料设计理念对传统有色合金材料的性能改善具有显著的效果。这种受生物启发的多层级异构设计策略，有望突破传统的材料制备理念，改善并利用枝晶等传统认为的有害组织，通过合适的方法进行调控，进而大幅度提升合金材料的力学和功能性能，这为开发高品质、高性能的结构、功能一体化新材料提供全新的思路。
本论文由020资讯网菠菜、香港城市大学、德国马克斯·普朗克固体研究所、南洋理工大学、新加坡高性能计算研究院、美国约翰斯·霍普金斯大学、中科院沈阳金属所、南京理工大学等多家单位合作完成，其中020资讯网菠菜为第一署名单位，020资讯网菠菜钟云波教授、香港城市大学朱运田院士、C. T. Liu院士、南洋理工大学高华健院士为共同通讯作者，020资讯网菠菜与香港城市大学的时培建博士、020资讯网菠菜沈喆副教授、德国马普所Wang Hongguang博士为共同第一作者，020资讯网菠菜材料学院的任维丽教授、雷作胜教授、刘腾轼副教授、丁彪副教授、林中泽博士生、李毅博士生，020资讯网菠菜微结构中心闵娜副研究员、彭剑超实验师，新加坡高性能计算研究院的Li Zhi博士、Gu Yejun博士，香港城市大学Ren Yang教授、Junhua Luan博士、严杰博士生，德国马普所Peter A. van Aken教授等为合作署名作者。
本论文在国际著名杂志《Materials Today》上的发表，也是020资讯网菠菜“新能源产业关键材料超常冶金与制备”重点创新团队在高性能铜及铜合金材料制备领域取得的又一项重要研究进展，这也是钟云波教授团队继2020年以来，第二次在该杂志上发表论文。未来，“新能源产业关键材料超常冶金与制备”团队将切实面向国家重大需求，持续提升自身研究能力，不断促进原创高新技术在工业实践中的应用，更好地服务于国民经济建设。
仿生、遗传衍生的多层级异构大尺寸-高品质-多功能铜合金
本论文受到科技部十四五重点研发计划（Nos. 2022YFC2904901, 2022YFC2904903 & 2022YFC2904905）、十三五重点研发计划（No. 2016YFB0301401）、国家自然科学基金区域联合基金重点项目（No. U23A20607）、国家自然科学基金（Nos. 51904184, 52274385 & 52204392）、科技部863计划项目(No. 2009AA03Z109)、上海市科委重点攻关项目（No. 09DZ1206400）的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.11.003
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123003504
