南理工团队突破CuCrZr合金性能极限：分形结构与纳米沉淀物的创新应用
南理工团队突破CuCrZr合金性能极限：分形结构与纳米沉淀物的创新应用
导读
南京理工大学赵永好教授团队在高强高导铜合金方向取得重要进展。他们在纳米科学和技术领域顶级期刊《Nano Today》发表论文，通过旋锻加时效工艺在CuCrZr合金中构建定向分形结构和纳米沉淀物，成功突破了材料的强度、导电性和延展性极限。
前言/背景
随着人类科技的快速发展，对材料的综合性能提出了越来越高的要求。例如，高速列车使用的铜接触线需要同时具备高强度、高延展性、高导电性和耐磨性等特性。然而，强度和延展性、强度和导电性之间往往存在相互制约的关系，这给材料设计带来了巨大挑战。
金属和合金的强度-延展性悖论主要源于位错滑移主导的塑性变形机制。传统的强化方法，如晶粒细化、变形、固溶和第二相颗粒强化，虽然可以提高强度，但往往以牺牲延展性为代价。同样，这些强化方法也会引入晶格缺陷，导致电子散射，从而降低导电性。
自然界中，生物体经过数亿年的进化，发展出了分形结构这一独特的几何形态。这种结构从宏观到微观呈现出相似性的无限重复，广泛存在于树干、叶脉、罗马花椰菜等自然物体中。受此启发，研究团队尝试在人工材料中构建类似的分形结构，以期获得超优异的综合性能。
研究内容
研究团队通过旋锻加时效的简单工艺，在CuCrZr合金中构建了具有高密度纳米沉淀物的定向分形结构。实验结果显示，经过优化处理的CuCrZr合金展现出前所未有的综合性能：极限抗拉强度达到626MPa，延展性达到19%，电导率高达82%（国际退火铜标准IACS）。
具体制备工艺包括：固溶处理（1000℃/2h）、旋锻（应变ε=2.5）和时效处理（在573K、723K、873K下各1h）。其中，723K/1h时效处理后的样品表现出最佳的综合性能。
微观结构分析表明，定向分形结构和高密度纳米Cr沉淀物能够有效阻挡位错，但不会阻碍电子沿CuCrZr线轴向的运动，从而实现了高强度、高韧性和高导电性的完美结合。
研究意义
这项研究不仅展示了分形结构在材料科学中的巨大潜力，还为高性能铜合金的设计提供了新的思路。通过简单的工艺处理，即可获得具有优异综合性能的材料，这对于高速列车接触线等实际应用具有重要参考价值。