第一作者：Zhao Cheng , Haofei Zhou
通讯作者：卢磊、高华健
通讯单位：中科院金属所、布朗大学
研究亮点：
1. 发展了一种电化学法引入梯度纳米孪晶的策略，实现了金属铜强度和硬度的同时增强。
2. 发现了体相梯度材料的力学性能超过组成它的每一个单独的微结构。
受自然界中骨骼、贝壳以及树木中天然存在的梯度结构的启发，梯度纳米结构越来越多地被引入到工程材料中，以实现强度、硬度等力学性能的提升。然而，受限于体相梯度材料的制造方法，对于结构梯度和力学行为之间的构效关系的理解，还不甚明了。
有鉴于此，中科院金属所卢磊课题组和布朗大学高华健课题组合作，通过电化学方法引入梯度纳米孪晶，在金属铜中成功构建了结构梯度，实现了强度和硬度的同时增强。
值得一提的是，卢磊课题组和高华健课题组于2017年合作，在Nature报道了一种与疲劳历史无关的、具有循环稳定响应的高度取向纳米孪晶结构铜材料！这是两个课题组在纳米孪晶铜领域的再一次突破！
图1. 金属中高度可控的结构梯度
研究人员通过直流电电沉积法成功制备得到了体相的梯度纳米孪晶纯Cu样品，晶体内部产生大量位错，材料整体强度得到极大提升。有趣的是，体相材料的力学性能超过组成它的每一个单独的微结构，这是之前文献中都没有报道的。
研究人员认为，这种独特的力学行为来源于几何必要性位错产生的独特图案，这些超高密度的位错抑制了滑动行为，产生塑性变形，导致额外强化和加工硬化。
总之，这项研究展示了梯度纳米孪晶结构在不同尺度上的重要性，为下一代高性能金属的研究带来了新的思路和借鉴。
图2. 梯度纳米孪晶中典型的微结构和结构梯度
图3. 梯度纳米孪晶的力学行为
图4. 梯度纳米孪晶微结构的形变（1%应力）
图5. 梯度纳米孪晶力学增强机理的模拟计算
参考文献：
Zhao Cheng, Haofei Zhou, Qiuhong Lu,Huajian Gao and Lei Lu. Extra strengthening and work hardening in gradientnanotwinned metals. Science 2018, 362, eaau1925.
DOI: 10.1126/science.aau1925
http://science.sciencemag.org/content/362/6414/eaau1925
作者简介：
卢磊
卢磊，中国科学院金属研究所研究员, 博士生导师。研究组主要从事块体纳米结构金属材料的研究，包括样品制备、微观结构表征、结构稳定性、综合力学性能和理化性能。通过理解其结构性能关系，揭示纳米结构金属材料的强韧化机理。
1997年7月于中科院金属所获工学硕士学位，2000年6月于中科院金属研究所获工学博士学位，毕业后留在中科院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室工作。
2012年12月11日，卢磊研究员凭借其在高强高导金属材料领域的研究成果获得第九届“中国青年女科学家奖”
高华健
高华健，固体力学家，美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士，美国布朗大学终身教授。
1982年毕业于西安交通大学工程力学系，1988年获哈佛大学工程科学博士学位。曾任斯坦福大学教授、德国Max-Planck金属材料研究所所长。2015年12月7日当选中国科学院外籍院士。2018年5月1日当选美国科学院院士。
高华健的研究领域是固体的宏微观形变和破坏行为。他主要的三项科学成就是：
1）创立基于微观机制上的应变梯度理论和发展微纳米塑性变形机制的模拟计算；
2）建立纳米生物结构的力学理论体系；
3）创立超音速和超弹性动态断裂力学。
基于位错力学，高华健从描述材料强度与位错密度之间的Taylor律出发，用一个多尺度的范式创立了MSG理论；他的MSG理论和微纳米塑性变形机制的工作被全世界64个国家和地区2411所大学和科研机构引用。自然界能够将柔软的蛋白质和脆性的矿物质组合形成异常坚韧的生物材料；高华健的研究揭示，生物结构材料中存在着一类特定的纳米结构：即坚硬的板状材料交叉镶嵌于较柔软的基体中；他提出的“拉-剪链”模型和“分形骨骼”模型成功地解释了骨骼多尺度变形的实验结果。经典的力学理论认为、裂纹的扩展速度无法超越弹性波波速；高华健通过超大规模分子动力学模拟首次发现了超音速裂纹扩展，他的研究打破了传统的断裂力学理论，成功地解释了高速裂纹扩展下裂尖失稳的实验结果。
高华健已经发表学术论文300余篇，ISI引用18600余次，在世界固体力学领域学者过去20年中的引用排名第一。高华健是目前国际上60岁以下固体力学家中最杰出的代表。在2012年国际理论与应用力学联合会上，他被授予四年仅一人的世界力学界最高荣誉—Rodney Hill固体力学奖。授奖词中讲到“他的研究成果奠定并拓展了现代力学研究的前沿”。2015年，他先后获得美国工程科学协会的最高奖—William Prager奖，和美国机械工程师协会的材料类最高奖—Nadai奖。
