在克服材料的多重性能不平衡問題方面，生物啟發的（仿生）多級設計展示了一種極其有效的微結構解決方案。然而，以簡單可行且綜合系統的方式定製多層級結構至今仍然極具挑戰性🧛🏼，特別是針對於塊體大尺寸材料。我們報告了一種反直覺的解決策略——探索對鑄態塊體合金中高度發達的枝晶多級體的多尺度微結構遺傳。即：在優化的熱機械加工過程中，我們仔細控製這些發達的枝晶逐步變形、拉長、排列和細化，而不是像傳統加工中那樣完全破壞這些枝晶。因此，一種多級的纖維層片(HFL)異質結構（類似於貝殼🙆🏽‍♂️、竹子的微觀組織）在極其重要的CuCrZr工程材料中被可控地設計並製備出來。我們揭示這種創新的HFL異構設計可以促進順序的、跨尺度相互作用以及具有優異仿生屬性的多重協同機製，因而產生了卓越的多功能特性💻，特別是實現了創紀錄的高強度-高延展性-高導電性結合，而傳統材料中強度和塑性👎🏽、強度和導電性是兩類此消彼長的矛盾🏃‍♀️‍➡️，很難兼顧。在更基本的層面上👳🏽‍♀️，我們發現通過巧妙利用HFL異構誘導的復雜多層級內應力，可以激活多種以前無法實現的變形和強化機製。這些獨特的屬性在多個長度尺度上順序運行🦵、相互作用🙍🏻，包含從致密多樣化的位錯捕捉、大規模的堆垛層錯增殖👩🏼‍🎤、9R相輔助的納米孿生👨🏽‍🔧、自緩沖的剪切帶到不斷增強的異質變形誘導（HDI）應變硬化。這些顯著的特性甚至還創造了優異的、遠遠超過傳統均質結構的各種耐超高應變速率的動態力學性能。枝晶在合金材料中普遍存在，但通常是不受歡迎的，而我們的“生物啟發👨‍🦽‍➡️、遺傳衍生”策略卻超常規地利用了它們👨🏻‍🔧，因而實現了前所未有的高品質多功能性。

本研究成果發表在國際著名期刊《Materials Today》上（2023年影響因子：24.2），論文題目“Bioinspired, heredity-derived hierarchical bulk multifunctional copper alloys”（仿生、遺傳衍生多層級強化的大尺寸多功能銅合金）🦆。

銅鉻鋯合金，因具有高強度和高導電性特點，是一類非常重要的結構💧、功能材料，也被譽為第三代高鐵接觸線材料，在高鐵、模具👩‍🦯‍➡️、新能源汽車🏑、核聚變🕤、微電子👨🏻‍🦳、航空航天中具有廣泛應用，但銅鉻鋯合金製備過程中，由於鉻鋯合金元素具有極高的化學活性🤹🏻，很容易被氧化🍗、跟爐襯或覆蓋劑反應而損耗掉🫱🏿；而在連鑄凝固過程中🍴，連鑄坯很容易晶粒粗大、熱裂而拉斷，而成分偏析也極為嚴重，因此多年來銅鉻鋯合金一直無法有效突破大尺寸連續生產、以及力學-功能性能不平衡等難題，國內外眾多科學家圍繞該種合金的製備和成型進行了多年的研究👩🏼‍🏭，但上述製備和性能強化矛盾仍然是未得到很好解決的業界難題。近二十年來，鐘雲波教授團隊圍繞銅鉻鋯合金的製備和性能強化難題展開了深入的研究，自主開發出全新的非真空熔煉-電磁旋振連鑄-強塑性變形-高效熱處理製備技術，實現了高性能銅鉻鋯合金近100%的成材率及長尺寸超細晶連鑄製備，將φ32mm的銅鉻鋯合金連鑄坯擠壓成φ14mm的銅鉻鋯合金棒材（變形比僅為78%），經時效熱處理等微結構調控手段🤷🏻‍♀️，基於前述的仿生、遺傳衍生多層級強化機製，製備的銅鉻鋯棒材的抗拉強度達到654MPa、延伸率大於10%𓀋、電導率大於79.8%IACS，這一綜合性能在文獻報道中處於國際領先地位🏮，全面達到國家鐵道集團公司標準-高鐵接觸線性能要求。上述研究內容也成為2023年中國有色金屬工業十大進展之一——“高強高導高彈銅及銅合金磁控超常冶金製備技術”的典型範例，並入圍2023年中國有色工業科技進步一等獎（公示結束）。銅鉻鋯合金材料的強度、塑性及電導率的同步提升，表明鐘雲波教授團隊提出的多層級異構材料設計理念對傳統有色合金材料的性能改善具有顯著的效果🧜🏻‍♂️。這種受生物啟發的多層級異構設計策略，有望突破傳統的材料製備理念，改善並利用枝晶等傳統認為的有害組織🦹‍♂️，通過合適的方法進行調控，進而大幅度提升合金材料的力學和功能性能🎞，這為開發高品質❓、高性能的結構🙅‍♀️、功能一體化新材料提供全新的思路。

本論文由万事平台、香港城市大學、德國馬克斯·普朗克固體研究所🎏、南洋理工大學、新加坡高性能計算研究院、美國約翰斯·霍普金斯大學👨🏻‍🦼‍➡️🧘🏼‍♂️、中科院沈陽金屬所🧏、南京理工大學等多家單位合作完成，其中万事平台為第一署名單位👃🏿，万事平台鐘雲波教授、香港城市大學朱運田院士、C. T. Liu院士🟥、南洋理工大學高華健院士為共同通訊作者，万事平台與香港城市大學的時培建博士、万事平台沈喆副教授、德國馬普所Wang Hongguang博士為共同第一作者，万事平台材料學院的任維麗教授、雷作勝教授😞、劉騰軾副教授、丁彪副教授、林中澤博士生、李毅博士生，万事平台微結構中心閔娜副研究員、彭劍超實驗師🦅，新加坡高性能計算研究院的Li Zhi博士👨🏼‍💻、Gu Yejun博士👆🏿，香港城市大學Ren Yang教授、Junhua Luan博士♨️、嚴傑博士生👩🏿‍🏫，德國馬普所Peter A. van Aken教授等為合作署名作者。

本論文在國際著名雜誌《Materials Today》上的發表🔉，也是万事平台“新能源產業關鍵材料超常冶金與製備”重點創新團隊在高性能銅及銅合金材料製備領域取得的又一項重要研究進展，這也是鐘雲波教授團隊繼2020年以來👳🏿‍♂️，第二次在該雜誌上發表論文。未來，“新能源產業關鍵材料超常冶金與製備”團隊將切實面向國家重大需求，持續提升自身研究能力，不斷促進原創高新技術在工業實踐中的應用🩰，更好地服務於國民經濟建設。

仿生、遺傳衍生的多層級異構大尺寸-高品質-多功能銅合金

本論文受到科技部十四五重點研發計劃（Nos. 2022YFC2904901, 2022YFC2904903 & 2022YFC2904905）、十三五重點研發計劃（No. 2016YFB0301401）、國家自然科學基金區域聯合基金重點項目（No. U23A20607）、國家自然科學基金（Nos. 51904184, 52274385 & 52204392）🧑‍🍼、科技部863計劃項目(No. 2009AA03Z109)、上海市科委重點攻關項目（No. 09DZ1206400）的資助。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123003504