破解材料“强则脆”的魔咒：科学家用“千层饼”结构打造又强又韧的新材料

2026-02-13 13:19:53 作者：本网发布来源：材料科学与技术分享至：

AI科普解读

为什么材料难以同时又强又韧？

在材料科学中，一个经典的难题是：材料往往要么很坚硬但容易碎裂，要么很柔软但强度不足。传统的金属、陶瓷等材料很难在强度和塑性（即变形能力）之间取得平衡。近年来，科学家开始尝试将不同性质的材料像“千层饼”一样层层堆叠，创造出兼具两者优异的复合材料。

Cr/CrAlN纳米层状材料是如何制备的？

研究人员采用磁控溅射技术，在硅片上交替沉积晶体铬（Cr）和非晶CrAlN薄膜，形成层状结构。每一层的厚度从20 nm到500 nm不等，总厚度约为3 µm。这种结构在微观上不仅存在层与层之间的“异质界面”，还在每一层内部形成了垂直的“同质界面”（如晶界或玻璃态边界），构成一种“层级界面”结构。

实验发现了什么有趣的现象？

强度几乎不变：随着单层厚度从20 nm增加到500 nm，材料的压缩强度和硬度几乎没有下降，保持在约6 GPa和8.5 GPa左右。
塑性显著提升：薄层材料（如20 nm）几乎一压就碎，而厚层材料（如500 nm）可承受约30%的应变，出现明显的“扭折带”，表现出良好的塑性变形能力。
断裂韧性稳定：无论是薄层还是厚层，材料的断裂韧性变化不大，说明其抗裂性能不受层厚影响。

为什么层厚不影响强度却影响塑性？

研究发现，材料的强度主要由层内的“柱宽”（约28 nm）控制，而柱宽在不同层厚样品中基本保持不变。这意味着位错和剪切带的运动受限于这些垂直界面，从而使强度保持稳定。而塑性则与层厚密切相关：厚层更易形成扭折带，同时非晶CrAlN层的结晶化程度较低，从而延缓了材料的脆性开裂。

微观机制揭秘：界面如何调控变形？

同质界面：像“内部栅栏”一样限制位错和剪切带的扩展，增强材料强度。
异质界面：在变形过程中引发非晶层的结晶化，过度的结晶会导致脆性开裂。层厚越大，结晶化程度越低，塑性越好。
扭折带形成：在厚层中，大量位错相互作用形成局部旋转区域，吸收变形能量，提升材料延展性。

这项研究对未来材料设计有何启示？

该工作表明，通过构建“层级界面”结构，可以在不损失强度的前提下大幅提升材料的塑性。这为设计新一代高性能复合材料——如用于航空航天、防护涂层、微机电系统等领域的强韧一体化材料——提供了新思路。

图片解析

图1. Cr/CrAlN纳米层状材料的结构特征：（a）和（a1）20#样品的横截面TEM图像及对应EDX元素分布图；（b）和（b1）500#样品的横截面TEM图像及EDX元素分布图。插图为对应的选区电子衍射图；同质界面在（a）和（b）中显示为亮条纹，如虚线所示；（c）和（d）500#样品中同质界面和异质界面的高分辨TEM图像。插图为对应的FFT图像。

图2. （a）Cr/CrAlN纳米层状材料中的平均柱宽；（b）Cr/CrAlN纳米层状材料及单层CrAlN的XRD谱图。插图为38°–50°范围的放大区域。

图3. （a）20#、100#和500#微柱的真实压缩应力-应变曲线。插图为工程应力-应变曲线；（b-d）压缩后微柱的SEM图像。插图为压缩前的微柱形貌。

图4. （a）微柱压缩试验中获得的压缩强度，图中也标注了计算的流变应力；（b）样品的纳米压痕硬度。

图5. 微悬臂弯曲试验中20#、100#和500#的载荷-位移曲线（a）及计算的断裂韧性（b）；（c-e1）20#至500#中断裂面的侧视图和前视图。插图为加载前的微悬臂形貌。

图6. （a-c）20#至500#压缩后微柱的TEM图像，明显变形区域用实线标出。插图为虚线圆圈对应的选区电子衍射图；（a1-c1）TEM图像中局部区域（橙色框标记）的EDX元素分布图，其中同质界面和异质界面分别用点划线和虚线标出。

图7. 压缩后的微观结构演变：（a）和（b）压缩后20#和100#的高分辨TEM图像；（c）和（c1）500#中异质界面附近CrAlN的高分辨TEM图像；（d）和（d1）500#中Cr的高分辨TEM图像。插图为对应的FFT图像。

图8. （a）和（a1）压缩后20#样品的暗场TEM图像；（b）和（b1）压缩后500#样品的暗场TEM图像。插图为（a1）和（b1）对应的明场TEM图像；（c）c-CrAlN晶粒高度与变形后CrAlN层厚度的统计比例；（d）CrAlN结晶度与层厚度关系的示意图。

图9. （a）压缩后500#样品中剪切带的STEM图像；（b）剪切带与同质界面相互作用的示意图；（c）变形过程中a-CrAlN内原子运动的示意图。

图10. Cr/CrAlN纳米层状材料在压缩过程中的变形机制示意图：（a）层状材料屈服；（b）塑性变形；（c）失效。

引用本文

J.D. Zuo, J. Li, J.N. Wang, Y.Q. Wang, P. Zhang, J.Y. Zhang, G. Liu, J. Sun, Balancing the strength-plasticity dilemma via hierarchical interfaces in crystalline Cr/amorphous CrAlN nanolaminates, J. Mater. Sci. Technol. 245 (2026) 266-277.

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.059.