Nature Communications：增材制造实现非晶纳米粒子的弥散强化！

摘要：Wang, G., Zhang, Y., Liu, J.et al.Dispersion hardening using amorphous nanoparticles deployed via additive manufacturing.Nat Commu

长三角G60激光联盟导读

Wang, G., Zhang, Y., Liu, J. et al. Dispersion hardening using amorphous nanoparticles deployed via additive manufacturing. Nat Commun16, 3589 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58893-1

研究背景

在金属材料的世界里，如何提升其强度与性能一直是科研人员探索的重要课题。传统的弥散强化方法虽常用，但存在诸多不足，而新兴的非晶纳米粒子和增材制造技术则带来了新的希望。

在金属材料的强化手段中，弥散强化就像是一位 “老牌选手”。它的原理是在金属材料中分散硬质颗粒或析出相，以此阻碍位错运动，从而达到强化材料的目的。然而，随着材料应用场景日益复杂，这位 “老牌选手” 逐渐显露出了局限性。

在实际工作中，当位错运动到这些障碍物处时，就会像遇到堵车的车流一样堆积起来，这就导致了应力集中的问题。应力集中就如同材料内部的 “定时炸弹”，会引发裂纹的萌生，大大降低了材料的延展性，使得材料在一些需要变形的工况下容易发生断裂。

不仅如此，传统弥散强化还面临着一个棘手的 “权衡难题”。它在提升材料强度的同时，常常需要牺牲材料的塑性，就好像鱼和熊掌难以兼得。这种强度 - 延展性的矛盾，严重限制了材料在复杂载荷环境下的应用，使得许多对材料综合性能要求较高的领域，难以充分发挥传统弥散强化材料的潜力。

就在传统弥散强化陷入困境之时，非晶纳米粒子犹如一颗闪亮的新星，展现出了巨大的潜在优势。非晶相以及它与基体的界面，就像是材料内部的 “调解员”，能够充当位错源和汇。当位错运动带来的应力出现时，它们可以有效缓解应力集中问题，让材料内部的 “矛盾” 得以化解。

非晶纳米粒子有着独特的 “性格特点”。它具有各向同性，这意味着它没有晶界，也不存在晶体学取向差异。这种特性使得它在材料内部减少了界面应力集中的情况，就像一个 “圆滑” 的成员，更好地融入材料集体，减少内部矛盾。同时，它还具备动态响应能力，在经历剪切变形的过程中，它能够发生结构弛豫，就像一个灵活的 “舞者”，可以根据局部应变的情况进行自我调整，更好地适应复杂的受力环境。

除了非晶纳米粒子，增材制造技术中的激光粉末床熔融（L - PBF）技术，也为材料微观结构的调控带来了全新的途径，堪称材料制造领域的 “变革者”。

L - PBF 技术采用的是非平衡工艺，在快速熔融 - 凝固的过程中，就像是给晶体相的形成按下了 “暂停键”，这种独特的工艺过程能够有效抑制晶体相的形成，反而促进非晶纳米粒子在材料内部原位生成，让材料获得更加理想的微观结构。

此外，熔池动力学在其中也发挥着重要作用。熔池内的湍流和 Marangoni 对流，就像是材料内部的 “搅拌器”，它们能够让纳米粒子在材料中均匀分散，避免出现局部聚集等不良情况，从而让材料的性能更加均匀稳定，为高性能金属材料的制造提供了坚实的技术保障。

Fig. 1: Design principles and microstructures of nanocomposites by laser powder-bed-fusion (L-PBF).

在材料科学的探索之旅中，科研人员为了开发出性能优异的新材料，往往需要通过一系列严谨且科学的研究方法。下面，就让我们一同走进一项关于新型材料的研究，看看科学家们是如何运用各种手段揭开材料性能奥秘的。

材料的性能好不好，制备环节是关键的第一步。在这项研究中，科研人员精心挑选了原材料。基体选用的是高纯度铜粉，其平均粒径为 35 微米，就像搭建材料大厦的 “基础砖块”。而增强相则是结晶 B4C 微米颗粒，平均粒径仅有 4 微米，别看它颗粒小，却能为材料带来不一样的 “力量”，在材料中所占的体积分数在 4% - 12% 之间，这个比例会直接影响材料最终的性能。

在制备工艺上，激光粉末床熔融（L-PBF）技术是核心手段。科研人员精确设置了 L-PBF 的各项参数：使用激光波长为 1064 纳米的激光，它就像一个 “能量画笔”，以 180.6 J/m³ 的能量密度对材料进行加工；为了消除材料内部的残余应力，每加工完一层，就将材料旋转 67°，就像给材料 “转个身”，让它更加 “稳定”。此外，还采用了冷却基板，将温度控制在 - 20℃，这样能让材料以极高的冷却速率（约 10^8 K/s）快速冷却，就像给材料来了个 “急速降温”，从而获得理想的微观结构。

材料制备完成后，它内部的微观结构是什么样的呢？这就需要借助各种先进的表征技术来一探究竟。

为了验证材料中是否存在非晶态结构，科研人员使用了 X 射线衍射（XRD）技术。通过分析 XRD 图谱，发现没有 B4C 结晶峰，这就初步说明材料中可能存在非晶态结构。为了进一步确认，又利用核磁共振（NMR）和近边 X 射线吸收精细结构（NEXAFS）技术，最终证实了硼碳化物已经非晶化，就像找到了材料微观世界里的一种特殊 “形态”。

在观察纳米粒子的分布情况时，透射电镜（HRTEM）发挥了巨大作用。通过 HRTEM，科研人员清晰地看到纳米粒子的平均粒径为 47 纳米，而且其体积分数能达到 12%。更神奇的是，原子探针断层扫描（APT）技术还揭示了界面元素的扩散现象，发现铜原子渗入非晶粒子大约 5 纳米，这就像在微观世界里发现了原子之间的 “互动游戏”。

材料的微观结构了解清楚了，它的力学性能又如何呢？科研人员通过一系列测试来检验材料的 “实力”。

在拉伸性能测试中，科研人员将室温拉伸速率设置为 5×10^-4 s^-1 ，通过对比含有非晶（ANP）与晶化（CNP）纳米粒子的材料，观察它们在拉伸过程中的表现，从而了解不同纳米粒子对材料增强效果的差异，就像给材料进行一场 “力量比拼”。

而疲劳测试则是模拟材料在实际使用中反复受力的情况。科研人员设置应力比 R = 0.1，让材料经受超过 10^7 次的循环，通过这样的 “耐力考验”，来评估材料的疲劳强度极限，判断材料在长期使用过程中的可靠性。

除了实验测试，科研人员还借助计算机模拟技术，从多个尺度深入理解材料的性能机制。

在熔池动力学模拟中，运用计算流体力学（CFD）技术，就像给熔池中的物质运动 “拍电影”，通过追踪 B4C 颗粒的破碎过程，揭示了材料在制备过程中原位纳米化的机制，了解纳米粒子是如何在材料中形成的。

分子动力学（MD）模拟则聚焦于微观层面，分析位错与非晶粒子的相互作用，验证非晶粒子在材料中分散应力的效应，就像在原子尺度上观察它们之间的 “力学互动”。

晶体塑性有限元（CPFE）模型更是结合了原位同步辐射 X 射线衍射数据，量化了基体与非晶粒子之间的应力分配情况，从宏观和微观相结合的角度，全面了解材料内部的力学行为，为材料性能的优化提供了重要的理论依据。

Fig. 2: Nanofragmentation mechanism of microparticles.

研究结果

经过一系列精心的实验与研究，科研人员在材料领域收获了令人振奋的成果。这些成果不仅揭示了材料微观世界的奥秘，还为高性能材料的应用打开了全新的大门。接下来，就让我们一起看看这些突破性的研究结果。

在材料的微观世界里，一场神奇的 “变身之旅” 悄然发生。在激光粉末床熔融（L-PBF）的过程中，B4C 微米颗粒经历了熔融、破碎再到快速凝固的过程，就像是经历了一场 “华丽的蜕变”，最终形成了准非晶结构，而且在这个结构中还包含着 2.9 纳米的 Cu 纳米晶，这些小小的纳米晶就像微观世界里的 “小精灵”，赋予材料独特的性能。

再看看铜基体，它呈现出等轴超细晶的形态，平均晶粒尺寸仅有 0.39 微米，小到我们用肉眼根本无法看见。但就是这些微小的晶粒，让铜基体拥有了超高的位错密度，达到了 2.3×10^14 m^-2 。这些位错就像微观世界里的 “交通网络”，它们的存在和分布对材料的性能有着重要影响。

材料的力学性能直接决定了它的 “实力”。在这项研究中，材料的力学性能实现了令人惊叹的突破。

强度与延展性一直是材料性能的一对 “矛盾体”，但在这里，它们却实现了协同提升。含有 12% 非晶纳米粒子（Cu - 12% ANP）的材料，抗拉强度达到了 1036 兆帕，总延伸率为 9.7%。和含有晶化粒子增强体系（Cu - 12% CNP）的材料相比，它的延展性提高了 2 倍以上，就像材料从 “脆弱的玻璃” 变成了 “坚韧的橡胶”，既能承受强大的拉力，又能产生较大的变形。

在疲劳性能方面，这种材料同样表现出色。它的疲劳强度极限超过了抗拉强度的 70%，比纳米晶铜和梯度结构铜还要优秀。这意味着在反复受力的情况下，它能坚持更长时间而不损坏，就像一位 “耐力超强的运动员”。

热稳定性也是衡量材料性能的重要指标。当这种材料在 1173 开尔文（约 900℃）的高温下退火 1 小时后，仍然能够保持 90% 的初始强度，远远优于传统的 Cu - Nb 合金。这就好比材料穿上了一层 “耐高温铠甲”，在高温环境下依然能 “坚守岗位”。

材料为什么能有如此优异的性能？这背后隐藏着精妙的强化机制。

非晶粒子就像微观世界里的 “位错管理员”，发挥着位错调控的作用。它作为位错汇，能够吸收 Orowan 环，有效抑制界面应力集中。通过分子动力学（MD）模拟的图像（图 4e），我们可以清晰地看到这一过程，就像位错在非晶粒子这里找到了 “停靠站”，让材料内部的应力分布更加均匀。

在材料变形的过程中，非晶粒子还具备 “动态自硬化” 的能力。它通过剪切转变来消耗位错能量，促进材料实现均匀的塑性流动。这就好比材料在受力变形时，非晶粒子在内部 “主动发力”，让材料能够更均匀地变形，而不是局部出现损坏。

从多尺度的角度来看，材料的强化是多种机制协同作用的结果。奥罗万强化贡献了 318 兆帕的强度，位错强化贡献了 116 兆帕，细晶强化贡献了 249 兆帕。这些强化机制就像一个个 “小齿轮”，相互配合，共同为材料的高性能 “保驾护航”。

Fig. 3: Mechanical and functional properties of the laser powder-bed-fusion copper nanocomposites.

结论

通过一系列深入的研究与探索，科学家们得出了极具价值的结论。这些结论不仅为材料科学领域的发展指明了方向，还展现出强大的应用潜力与创新意义。

在金属材料的强化研究道路上，长久以来存在着一个棘手的难题 —— 传统弥散强化方式很难同时兼顾材料的强度与延展性，就像鱼和熊掌难以兼得一样。然而，非晶硼碳化物纳米粒子的出现，犹如一道曙光，打破了这一困局。

这些小小的非晶纳米粒子，拥有独特的 “超能力”。它们能够像海绵吸水一样吸收位错，还具备动态自硬化的神奇机制。在材料受力变形时，非晶纳米粒子通过这些机制，巧妙地化解了应力，让材料在具备高强度的同时，还拥有良好的延展性。这种突破，为金属复合材料的设计提供了全新的思路和范式，就像是给材料设计领域打开了一扇通往新世界的大门，让科研人员对未来高性能金属材料的研发充满了想象与期待。

增材制造技术中的激光粉末床熔融（L-PBF）工艺，在此次研究中展现出了强大的技术魅力。L-PBF 的非平衡工艺特性堪称 “神奇魔法”，它能够让非晶纳米粒子在材料中实现高密度且均匀的分散。想象一下，就像把无数微小的种子均匀地撒在土壤里，每一颗种子都能在合适的位置发挥作用。

更令人惊喜的是，L-PBF 工艺还能消除材料中的气孔等缺陷，使材料的相对密度超过 99.8%，这意味着材料几乎没有 “瑕疵”，质量极高。对于高反射金属，比如常见的铜（Cu）和铝（Al），以往它们的加工常常面临诸多挑战，而 L-PBF 工艺的出现，为这些金属的加工开辟了一条崭新的路径，就像是为它们找到了一条 “专属高速公路”，让高反射金属材料的制备和应用变得更加顺畅、高效。

科学研究的价值不仅在于取得某项具体成果，更在于其结论能否广泛应用。令人兴奋的是，此次研究中的创新策略展现出了强大的普适性。科研人员将相同的方法应用到 Al-B4C 和 Cu-CrB2 体系中，同样取得了成功。这就好比一把万能钥匙，能够打开不同的 “材料之门”，证实了这种通过非晶纳米粒子和 L-PBF 工艺提升材料性能的方法，并非偶然和个例，而是具有广泛的适用性。这为更多类型金属材料的性能提升提供了可靠的技术参考，也为材料科学领域的进一步发展奠定了坚实的基础，预示着未来将会有更多高性能材料在这一技术的推动下诞生。

Fig. 4: Deformation mechanism in laser powder-bed-fusion copper nanocomposites.

深度洞察

在材料科学的探索征程中，每一次重大发现都如同点亮前行道路的明灯。这项研究带来的深度洞察，不仅蕴含着突破性的创新，更展现出广阔的应用前景与深远的科学意义。

在金属基复合材料的研究领域，传统的强化方式多依赖晶界或析出相，如同被固定在特定轨道上的列车，难以突破性能提升的瓶颈。而此次研究带来了全新的非晶粒子设计理念，堪称一场 “颠覆性革命”。科研人员首次将非晶纳米粒子作为金属基复合材料的强化相，这些非晶纳米粒子就像一群灵活的 “小精灵”，摆脱了传统晶界 / 析出相强化的固有模式，为材料性能提升开辟了全新方向。

同时，研究巧妙地实现了工艺 - 性能的深度耦合。激光粉末床熔融（L-PBF）技术中的熔池动力学，成为了关键的 “魔法棒”。它能够让材料在制备过程中实现原位纳米化，就像是在材料内部 “现场制作” 纳米粒子，避免了传统外加纳米粒子容易出现团聚的难题。这就好比在建造一座大厦时，每一块 “纳米砖块” 都能精准地放置在合适位置，从而让材料具备更优异、更稳定的性能。

如此优异的材料性能，预示着它将在众多领域大显身手。在航天领域，高强高导铜基复合材料如同为火箭打造的 “超级铠甲”，能够完美适配火箭发动机燃烧室等极端环境部件。要知道，火箭发动机燃烧室的工作环境极为恶劣，高温、高压、高腐蚀，而这种材料凭借自身强大的性能，能够承受住极端考验，为火箭的稳定运行保驾护航，助力人类探索更遥远的太空。

在电子器件领域，材料兼顾强度与导电性（76% IACS）的特性使其成为高功率散热组件的理想选择。随着电子设备不断向高性能、小型化发展，散热问题日益突出。这种材料就像电子器件的 “专属空调”，既能保证器件结构的稳固，又能高效传导热量，解决了高功率设备的散热难题，让电子设备运行得更加稳定、高效。

从更宏观的角度来看，这项研究具有非凡的科学意义。它为金属材料的多尺度界面设计提供了全新的思路，就像为科研人员打开了一扇通往未知领域的窗户，让大家看到了材料设计的更多可能性。同时，它推动了非晶态物理与增材制造工艺的深度交叉融合，打破了学科之间的壁垒，让不同领域的知识相互碰撞、融合。这种跨学科的研究模式，不仅在学术上丰富了材料科学的理论体系，在工程实践中也具有显著的价值，有望催生出更多高性能、多功能的新型材料，为科技的进步与社会的发展注入强大动力。