摘要：在金属材料中，通过分散硬质颗粒或析出相来阻碍位错运动是提升材料强度的常用方法。这种被广泛采用的"弥散强化"机制虽然能有效提高强度，但往往会导致材料延展性下降。这是因为位错在颗粒处堆积会产生应力集中，从而促进裂纹形核。本研究提出采用非晶纳米颗粒替代传统晶态弥散相
在金属材料中，通过分散硬质颗粒或析出相来阻碍位错运动是提升材料强度的常用方法。这种被广泛采用的"弥散强化"机制虽然能有效提高强度，但往往会导致材料延展性下降。这是因为位错在颗粒处堆积会产生应力集中，从而促进裂纹形核。本研究提出采用非晶纳米颗粒替代传统晶态弥散相的新思路。这一方案具有可行性，因为已有研究表明非晶相及其与基体的界面可以充当位错源，有助于缓解颗粒处的应力集中。因此，选择非晶纳米颗粒作为弥散相，可以延缓损伤形核，显著提高材料的延展性以及其他对损伤敏感的使用性能，如疲劳抗力。
接下来的关键问题是如何在金属内部实现非晶纳米颗粒的高密度均匀分布。为此，我们利用增材制造技术这一特殊优势。这种非平衡加工工艺及其伴随的复杂熔体流动为调控微观组织（包括晶粒形貌、亚晶位错组织和化学偏析等）提供了独特机会，从而获得远超传统加工工艺的力学性能。例如，最近的研究表明，激光粉末床熔融技术可以在传统复合材料体系中实现微米颗粒的自发晶内弥散分布。
上海交大和西安交大团队在本研究中进一步开发了激光粉末床熔融技术，成功制备出一种新型纳米复合材料，其金属基体中均匀分布着高密度的非晶纳米增强相。通过利用L-PBF过程中的原位纳米破碎机制，实现了晶态增强微米颗粒向非晶纳米颗粒的自发转变。在选择增强相材料时，本文设定了三个关键标准：首先，必须具有高强度和弹性模量以确保强化效果；其次，熔点需控制在L-PBF工艺可达的温度窗口（约3000K）内，这样才能通过熔融使弥散相非晶化，并在湍流作用下破碎后快速凝固；第三，在增强相熔融过程中不能发生化学分解或与基体熔池发生剧烈反应。我们结合Thermo-Calc软件及其最新物质数据库，对不同金属-陶瓷颗粒体系的热稳定相进行了系统评估。基于上述标准，最终选择碳化硼（B4C）增强铜体系作为首个研究模型。后续研究将证明，激光粉末床熔融技术能够在纯铜晶粒内部形成高密度的非晶纳米颗粒分布。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58893-1
主要附图
图1. 激光粉末床熔融（L-PBF）制备纳米复合材料的设计原理与微观组织。（a）增材制造调控增强颗粒组织的示意图。通过L-PBF过程中原位纳米破碎机制，实现晶态增强微米颗粒向非晶纳米颗粒的自发细化，该过程包含颗粒熔化、纳米破碎及快速凝固。GB表示晶界。（b）三维重构扫描电镜（SEM）图像与电子背散射衍射（EBSD）叠加图，显示等轴晶组织。熔池边界（MPBs）和构建方向（BD）分别用黄色虚线和白色箭头标注。（c）高分辨透射电镜（HRTEM）图像显示典型纳米颗粒内部存在超细黑色区域。（d）图c选区放大图。（e）高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像显示沿[110]晶带轴的FCC组织纳米晶，及Cu、B、C元素的能谱（EDS）分布。（f）三维原子探针（APT）重构显示Cu（蓝）、B（黄）、C（红）原子在基体-纳米颗粒界面的分布。（g,h）界面区与颗粒内部三元素分布曲线，白线标注相界（PB），红圈标示典型Cu团簇/纳米晶。（i）非晶颗粒的B-K边近边X射线吸收精细组织（NEXAFS）谱。
图2. 微米颗粒纳米破碎机制。（a）增强颗粒形貌随体积能量密度（Ed=P/vhd）的演变（12�C体系）。HRTEM及FFT证明Ed>118.1 J/m³时颗粒呈非晶态，证实熔融-破碎-凝固过程（每个条件至少5个位点表征）。（b-d）多物理场模拟显示微米颗粒（初始直径~4μm）在熔池速度场（彩色箭头）作用下逐步破碎为纳米颗粒（颜色标尺为温度）。（e）模拟获得的颗粒尺寸分布随时间演变。（f）Al-B4C复合材料SEM与HAADF-STEM图像（沿Al[100]晶带轴），显示~200nm非晶纳米颗粒（ANPs），EDS测得成分为B:78.7±3.5at%、C:18.8±3.6at%、Al:2.5±0.7at%，界面无显著元素扩散。（g）Cu-CrB2复合材料SEM与HAADF-STEM图像（沿Cu[110]晶带轴），初始~10μm CrB2颗粒转变为~40nm非晶颗粒（所有表征至少5个独立位点验证）。
图3. 激光粉末床熔融铜基纳米复合材料的力学与功能特性。（a）不同B4C体积分数（12%、8%、4%）Cu-B4C纳米复合材料（记为Cu-ANP）的拉伸应力-应变曲线。（b）本工作铜基纳米复合材料与文献报道铜合金的力学性能对比。（c）AM铜基纳米复合材料归一化强度-均匀延伸率与典型高性能AM金属合金（含Al基合金、高强钢、Ti基合金、高熵合金及铜基合金）的对比。（d）Cu-4%-ANP与Cu-12%-ANP的疲劳寿命（应力比R=0.1）与疲劳强度/抗拉强度比值关系，对比纳米晶/梯度/纳米孪晶铜材料及退火粗晶铜数据。（e）L-PBF Cu-ANP在不同温度退火1h后的强度（硬度）保留率与传统铜基合金对比。
图4. 激光粉末床熔融铜基纳米复合材料的变形机制。（a）基于高分辨EBSD（HR-EBSD）的Cu-12%-ANP与晶态纳米颗粒（Cu-12%-CNP）在3%应变下的晶粒应变分布图（零应力参考点为KAM最低值）。（b）变形后（3%应变）Cu-12%-ANP的双束明场TEM图像（右列为1nm步长的PED-ACOM取向成像），插图为沿黑线测量的ANP取向差变化（三次独立实验重复性验证）。（c）Cu-8%-ANP与Cu-8%-CNP中FCC晶面族（{111}、{200}、{220}、{311}、{222}）晶格应变随宏观真应变的演变（符号为实验数据，实线为CPFE模拟，虚线标记屈服强度）。（d）CPFE模拟的宏观应力-应变响应及基体-纳米颗粒应力分配。（e）分子动力学（MD）模拟显示位错与ANP相互作用过程（右列为原子von Mises应变分布）。（f）位错绕过后ANP与CNP的von Mises剪切应变分布。（g）ANP原子势能随剪切应变的相对变化。
主要结论
本研究揭示了激光粉末床熔融（L-PBF）加工过程中独特的原位纳米破碎与快速淬火机制，成功实现了非晶纳米颗粒在金属基体晶粒内部的高密度均匀分布。这些非晶陶瓷纳米颗粒具有双重功能：既能有效阻碍位错运动，又可吸收过量位错以缓解应力集中。结合其特有的自硬化能力和优异的热稳定性，使得增材制造的铜基纳米复合材料展现出力学性能与功能特性的突破性协同提升。
这种创新的弥散强化策略具有广泛的适用性，可推广至多种颗粒-金属体系。尤其对于传统L-PBF难以加工的高反射率金属（如铜、铝等），该技术提供了关键解决方案。非晶纳米颗粒的设计理念还可延伸至粉末冶金、化学气相沉积等其他金属加工领域，通过调控纳米颗粒的分布状态和亚稳态特性，为材料性能优化开辟新途径。这一突破性的复合材料设计策略，将推动金属材料微观组织工程进入新阶段，为实现前沿应用所需的卓越性能组合提供全新可能。
作者简介
张荻，上海交通大学材料科学与工程学院教授。长期从事金属基复合材料研究，在复合材料设计制备、加工成型与应用方面取得了系统性创新成果。揭示了非连续增强金属基复合材料的可控复合与形变加工原理，实现了制备技术的突破，打破了国际封锁，为我国航天重大工程提供了万余件关重构件，为推动国家高科技发展和维护国家安全做出了重要贡献；提出了金属微纳砖砌构型化复合的学术思想与技术原型，同步提升了金属基复合材料的强度/模量与塑韧性，拓宽了金属基复合材料的研究领域；巧借生物多样性及其独特的组织效应，提出了“遗态材料”的新概念，为材料的构型化复合研究提供了新原理、新方法。曾获国家自然科学二等奖2项（第一完成人）、省部级一等奖4项（2项排1）；出版中英文专著3部；发表SCI收录论文600余篇，SCI他引23,000余次，H值85；在国际会议上作特邀报告80余次；授权国家发明专利90余项、制定国家标准3项。主要研究成果已经成功应用于我国载人航天、探月工程等重大工程，涉及到空间站、北斗三号、月球车、嫦娥探测器、火星探测器等35种型号。
个人资料来源：
李赞，上海交通大学材料科学与工程学院长聘教轨副教授。长期以来从导致金属基复合材料强度与塑韧性矛盾的基本原理出发，发展金属基复合材料强韧化新途径，探索复合材料新型制备手段，对复合组织进行精确设计与调控；结合先进跨尺度表征（原子探针、球差电镜、微纳力学、同步辐射）与计算机模拟，探究高强韧金属基复合材料的微观组织-形变机理-宏观性能内在联系；近年来主要研究方向为金属性能的复合化调控，即通过复合化途径，激发增强体与金属协同强韧化效应，实现优异力学性能。已发表论文30余篇，他引共2800余次，H因子为21。其中以第一作者及通讯作者在Nat. Commun., Mater. Today., Nano Lett., Int. J. Plast.等期刊上发表论文近20篇，申请发明专利5项。获得国家自然科学基金面上基金、青年基金等项目资助。Acta Mater., Scripta Mater., Compos. Part A., Carbon等材料领域国际期刊审稿人。
个人资料来源：
马恩，西安交通大学材料科学与工程学院教授。材料领域的国际著名学术带头人，在揭示非晶合金、纳米组织合金、复杂合金的微观组织及其特性等方面做出了开创性的工作。共发表410余篇学术论文，其中30篇发表在Nature，Science，Nature Materials上。论文已被引用6万2千次（Google Scholar Citation），单篇最高近4000次，H因子为126。 多年入选汤森路透全球高被引科学家名单。 在国际重要学术会议上做邀请报告160余次。
个人资料来源：https://mse.xjtu.edu.cn/info/1062/5821.htm
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