導讀：兩相納米層合板以其高強度而聞名，但卻飽受延展性損失之苦。本文展示了通過將異相界面擴展為與單個層壹樣厚的“3D界面”打破這種強度-延展性的平衡制約。3D界面通過與位錯堆積相互作用形成剪切帶來抑制流動不穩定性。當位錯堆積低於相對於三維界面厚度的特征尺寸時，界面間的傳輸會受到明顯的阻礙。我們的工作表明，3D界面可以降低堆積引起的應力集中，防止剪切局部化，並提供了壹種增強機械（力學）性能的替代方法。
在這裏， 我們在所有空間維度上施加幾個納米長度尺度上的界面非均質性控制，以獲得改善的力學性能 。以Cu/Nb納米層為模型系統，研究了與純Cu和Nb層厚度相當的三維界面的力學行為。在這種相對長度尺度下，3D界面通過阻止塑性限制剪切局部化來提高強度和變形能力。變形能力在這裏定義為應變軟化剪切局部化開始之前的應變。
美國明尼蘇達大學雙城分校化學工程與材料科學系Justin Y. Cheng、加州大學機械工程系的Shuozhi Xu等研究人員針對上述現象提出了壹種界面位錯堆積介導的變形機制，其中純金屬層與界面厚度之間的相對尺度是抑制剪切局部化的關鍵因素。 在準靜態加載條件下，利用原子信息相場位錯動力學(PFDD)模擬了三維界面上堆積位錯的集體運動。PFDD是唯壹能夠模擬通過三維界面的位錯陣列所采取的最小能量路徑。 這項工作揭示了控制納米復合材料三維界面結構的關鍵微觀結構指標，通過促進離位變形實現創紀錄的強度和塑性組合。 相關研究成果以題“Simultaneous High-Strength and Deformable Nanolaminates With Thick Biphase Interfaces”發表在ACS美國化學學會電子期刊上。
本文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c04144
圖1所示：10-10 Cu/Nb的亮場透射電鏡剖面圖。(a) Cu和Nb三維界面的晶體非均質性導致的衍射對比度差異。在晶體結構上與純材料不同的區域看起來比10 nm薄。這是因為在接近純材料的成分中沈積的合金材料由於外延而傾向於采用該材料的晶體結構。(b)傅立葉過濾高分辨率顯微圖，在幾個單元格的長度尺度上突出晶體的不均勻性。所述插圖是顯微照片中的放大區域;含有許多這種異質性的局部區域用黃色圓圈標出。
圖2所示：壓縮後的10-10 Cu/Nb微柱快照:(a)壓縮前，(b)均勻變形時，(c)剪切局部化後。為了進行比較，我們在(d)中加入了40-10 Cu/Nb的快照，以及(e)中移位壓縮後h = 40 nm 2D Cu/Nb的顯微照片。從(d)和(f)中可以看出，在(b)和(d)應變之前40-10 Cu/Nb發生剪切局部化，並且非常嚴重。
圖 3. 納米晶 (nc) 和納米孿晶 (nt) Cu、PVD 和 ARB 2D Cu/Nb、CuZr 合金和 3D Cu/Nb 的塑性不穩定性開始時的塑性應變與流動應力的關系曲線。箭頭表示位錯障礙間距的減少（其他位錯、晶界、孿晶界或異相界面）。CuZr 中沒有箭頭，因為其特性僅通過引入 AIFs 來增強（而不是通過障礙間距的改變）。
圖 4所示：描述 (a) 10-10 和 (b) 40-10 Cu/Nb 中假設的位錯堆積-界面相互作用的圖表。（a）相對於3D界面厚度-滑移傳遞，有限的堆積尺寸的影響被抑制到足以抑制高度局部剪切帶的形成。(b)堆積尺寸足夠大，可以促進沿普通滑移系統跨越純金屬層的滑移傳遞，從而促進鋒利的剪切帶的形成。在(c)10-10和(d) 40-10 Cu/Nb中高度變形柱的TEM顯微照片中觀察到的變形性質證實了所提出的堆積-界面相互作用。
圖 5. (a-d) 描述了文本中描述的 PFDD 模型中 4 個位錯寬的堆積與 10 nm 3D 界面的相互作用，以及 (e) 將堆積中的每個位錯傳輸所需的應力圖表壹個 3D 界面，表示為水平軸上的 h' 和圖表標題中的堆積大小的函數。(e) 中的 y 軸被截斷以幫助可視化位錯傳輸應力的差異。在（a-d）中，堆積位錯位置相對於 3D 界面在傳遞前導位錯所需的臨界剪切應力下按比例繪制。在 (a) 1.53、(b) 1.63、(c) 1.69 和 (d) 1.88 GPa 的施加剪切應力下描繪了位錯。
綜上所述，我們在這項工作中表明，適當尺寸的Cu/Nb納米復合材料結晶區域之間的三維界面區域同時提高了強度和變形能力，也同時降低了剪切局部化的趨勢。 結合實驗和模擬，我們表明，這種不尋常的行為來自於堆垛與三維界面的特殊相互作用，並取決於界面厚度與堆垛尺寸比，當界面厚度足夠高時，該比例削弱了堆垛對界面上位錯傳輸的機械優勢。 相當厚的三維界面會提高復合材料的屈服應力，這反過來又激活有利於非幾何平面上的滑移。這種滑移的分散可以導致均勻變形，提高整體變形能力和加工可淬硬性。 這項工作揭示了壹個關鍵的微觀結構指標，它決定了3D界面能在多大程度上提高了納米晶合金的強度和變形能力，為超強但可變形的材料鋪平了道路。