本报北京4月18日讯 4月16日出版的最新一期美国《科学》杂志发表了中国科学院
金属所卢柯院士领导的研究小组的最新成果：采用纳米尺寸的生长孪晶强化金属的新途径获得了同时具有超高强度和高导电性的铜。《科学》杂志的评审人认为，利用纳米尺寸孪晶实现纯铜的超高强度和高导电性是一个十分重要的突破，这是其它任何强化技术无法达到的。它“再次用极为漂亮的实验结果演示，通过在纳米尺度上的结构设计可以从本质上优化材料的性能和功用”。
同一天，中科院
金属所卢柯院士接受了本报记者的专访。他介绍说，工业中应用的导电材料绝大多数是各种金属和合金材料。强度和导电性是导体金属材料两个至关重要的性能，工业应用中往往需要导体材料同时具有高强度和高导电性。例如导电磁铁线圈中的导线既要承受巨大的电磁作用力，又要保持较低电阻以降低电流导致的温度升高。高强度高导电性是超导磁铁中导线必不可少的重要性能。
然而，在常规金属材料中这两种性能往往相互抵触，不可兼得。纯金属(如银、铜、铝等)具有很高的导电率，但都很软，强度极低(均小于100MPa)。通过多种强化手段可以提高金属的强度，如合金化(添加合金元素)，晶粒细化或加工强化，但这些强化技术往往导致金属材料电导率大幅度降低。例如，使纯铜合金化能使其强度提高2～3倍，但获得的铜合金的电导率只有纯铜的10%～40%。
这种现象的出现自有其深层原因。固体强度取决于其对塑性变形的抵抗能力，这种能力又与固体的化学组分和微观结构密切相关。常规多晶金属的塑性变形主要由单个晶粒的点阵位错引起。基于此，很多提高金属强度的方法都着眼于限制这种位错运动。比如，晶粒细化就是引入更多晶界，让晶界成为晶粒间位错运动的阻碍；加工强化引入大量位错来锁住进一步的位错运动。这些强化技术本质上是在材料中引入各种缺陷，而这些缺陷会显著增大对电子的散射，从而降低导电性能。因此，实现金属材料的高强度和高导电性是一项长期以来有待解决的重大科学难题。
为解决这一难题，中科院
金属研究所沈阳材料科学国家实验室开展了深入的研究工作，认为要获得兼具高强度和高导电性的金属，关键在于找到一种适宜的微观结构，这种结构既能锁住位错运动又能最大限度地减少对传导电子的散射。他们将视线投向一种特殊的晶界——孪晶界。卢柯解释说，孪晶界是一种低能共格晶界，它能够有效地阻碍位错运动并吸收部分位错，因此可以起到与普通晶界相似的强化作用。但是共格孪晶界对电子的散射能力极小，其电阻值比普通晶界的电阻低一个数量级。因此，通过引入大量孪晶界(即制备出高密度纳米尺寸生长孪晶)可以大幅度提高材料的强度而对其电导特性无明显影响。
研究人员采用脉冲电解沉积技术制备出具有高密度纳米尺寸生长孪晶的纯铜薄膜，通过工艺过程研究调整样品的晶粒尺寸、孪晶厚度及分布、织构状态等，获得了具有超高强度和高导电性的纯铜样品，其拉伸强度高达1068MPa(是普通纯铜的十倍以上，达到高强度钢或铜晶须的强度水平)，而室温电导率与无氧高导(OFHC)铜相当。这种超高强度和高导电性的同时获得是过去在任何材料中均无法实现的。
利用纳米孪晶获得超高强度高导电性铜不但为材料的强化技术和高强高导材料的研制开辟了一个新领域，而且将对相关工业应用领域产生重要推动作用，如超导磁铁技术、电力传输系统、机电装备及微机电系统等。此项成果也将对纳米材料技术的发展产生重要影响。
