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传统弥散强化金属依赖晶态纳米颗粒/析出相阻碍位错运动实现强度提升，但位错在增强相界面塞积易造成局部应力集中，诱发裂纹萌生，存在强度-塑性倒置瓶颈。
上海交通大学张荻院士、李赞副教授联合西安交通大学马恩教授团队依托激光粉床熔融增材制造（L-PBF），通过原位纳米破碎与熔体淬火工艺，在铜基体中实现了平均粒径约47 nm、体积分数最高达12%的非晶碳化硼纳米颗粒的致密、均匀分散。所制备的Cu-12%-ANP复合材料抗拉强度＞1000 MPa、总伸长率≈9.7%，塑性为同组分晶态颗粒强化试样（CNP）的 2 倍；材料疲劳极限＞70% 抗拉强度（＞107循环周次），展现出卓越的综合性能。
图1 LPBF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；（b）三维SEM图与EBSD叠加图；（c）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）沿[110]晶带轴的FCC组织纳米晶，及Cu、B、C元素的EDS分布；（f）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射线吸收精细组织谱
01核心内容
该研究以 B₄C-铜为目标体系，依托 L-PBF 激光粉床熔融技术，建立原位纳米碎裂-熔体快速非晶化制备路线，采用多尺度表征+多场仿真解析微观结构与变形机理，设置同成分退火晶化试样 Cu-CNP 作为对照，系统对比非晶/晶态纳米颗粒对材料组织、力学、电学、耐热性能的差异化影响。
02研究成果
1、独特的多尺度非晶纳米颗粒微观结构
该团队利用L-PBF工艺成功制备了无孔隙（密度>99.8%）的Cu-B₄C纳米复合材料，微观结构表征显示：
（1）非晶纳米颗粒的形成：原始~4 μm的结晶B₄C微颗粒在L-PBF过程中被熔化、破碎并快速凝固，转变为平均直径约47 nm的非晶纳米颗粒（体积分数最高12%），均匀分布于铜晶粒内部；
（2）超细晶铜基体：铜晶粒为等轴晶，平均尺寸约0.39 μm，得益于纳米颗粒对晶界的钉扎效应；
（3）准非晶特征：HRTEM显示非晶纳米颗粒内部存在少量~2.9 nm的铜纳米晶，APT证实B、C原子向铜基体扩散极有限（~5 nm），界面清洁致密；
（4）通用性验证：该策略同样成功应用于Al-B₄C和Cu-CrB₂体系，证明其广泛的适用性。
2、卓越的力学性能
具有非晶纳米颗粒弥散的Cu-ANP复合材料性能远超传统结晶弥散对应物和常规高强度纯铜：
（1）强度-延展性协同：Cu-12% ANP实现屈服强度729 MPa、极限抗拉强度1036 MPa，同时保持总延伸率9.7%，是相同纳米颗粒含量的结晶B₄C增强复合材料（~3%）的两倍以上；
（2）优异应变硬化：Kocks-Mecking硬化率分析和Hollomon方程表明，ANP显著增强了材料的应变硬化能力，推迟颈缩发生；
（3）高疲劳极限：疲劳强度极限超过抗拉强度的70%，优于纳米晶、梯度结构和纳米孪晶铜；
（4）高热稳定性：在1173 K（0.87 Tm）退火1小时后仍保持90%初始强度，优于Cu-Nb合金；
（5）良好导电性：在保持高强度的同时，导电性可与Cu-Ag合金媲美。
3、非晶纳米颗粒驱动的应力离域与自身硬化机制
团队结合原位同步辐射XRD、晶体塑性有限元模拟和分子动力学模拟，深入揭示了Cu-ANP的变形机制：
（1）位错吸收与应力离域：TEM和HR-EBSD显示，变形后ANP界面处无明显位错塞积，局部取向差<0.5°；MD模拟证实，位错绕过ANP后被其吸收，而非形成Orowan环，界面处无应力集中；
（2）ANP自身硬化：CPFE模拟显示，ANP贡献了复合材料应变硬化幅值的61%；MD模拟表明，ANP内部发生键切换和剪切转变，势能随应变增加持续下降，结构逐渐稳定并承受更大载荷；
（3）小激活体积行为：应力松弛测试显示物理激活体积约为20b³，与纳米晶金属相当，反映ANP对位错运动的独特调控能力；
（4）抑制缺陷积累：稳定的循环变形行为和裂纹扩展路径的钝化/偏转，显著提高了材料的疲劳寿命和损伤容限。
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的演变（12%B4C体系）；（b-d）多物理场模拟显示微米颗粒在熔池速度场作用下逐步破碎为纳米颗粒；（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，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
图3 LPBF Cu-ANP的力学与功能特性：（a）不同B4C体积分数（12%、8%、4%）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金属合金的对比；（d）Cu-4%-ANP与Cu-12%-ANP的疲劳寿命与疲劳强度/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）LPBF Cu-ANP在不同温度退火1h后的强度保留率与传统铜基合金对比
图4 LPBF Cu-ANP的变形机制：（a）基于高分辨EBSD（HR-EBSD）的Cu-12%-ANP与Cu-12%-CNP在3%应变下的晶粒应变分布图；（b）变形后Cu-12%-ANP的双束明场TEM图像，插图为沿黑线测量的ANP取向差变化；（c）Cu-8%-ANP与Cu-8%-CNP中FCC晶面族晶格应变随宏观真应变的演变；（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）分子动力学模拟显示位错与ANP相互作用过程；（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
03总结与展望
该研究工作成功解决了传统弥散硬化中强度与延展性难以兼得的固有矛盾，提出并验证了一种通过增材制造原位形成非晶纳米颗粒以实现“强化+增韧”的新范式。非晶纳米颗粒不仅作为高效的位错障碍，更通过作为位错阱和自身硬化机制，显著改善了材料的均匀塑性流动能力和抗疲劳性能。
该策略具有广泛的普适性，已成功应用于铜、铝等多种反射性金属基体系，为那些难以通过传统L-PBF加工的材料提供了新的可能性。更重要的是，这一设计理念可拓展至粉末冶金、化学气相沉积等其他加工方法，通过调控纳米颗粒的分布和亚稳态，有望在更广泛的金属基复合材料中实现前所未有的性能组合，推动航空航天、电子封装、能源传输等领域关键材料的革新。
信息来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-58893-1
