什么是异质结构(HS)材料呢？有哪些性能

异质结构(HS)材料是一类新型材料，由具有显着不同(>100%)机械或物理特性的异质区域组成。这些异质区域之间的交互耦合产生了协同效应，其中综合特性超过了混合规则的预测。HS材料具有传统均质材料无法实现的卓越机械或物理性能。

日前，国际顶级期刊“Progress in Materials Science”报道了香港城市大学朱运田教授和中科院力学所武晓雷合作的“Heterostructured materials”一文。

本综述主要关注异质结构材料，其卓越的机械性能是由新机制实现的：异形变形诱导(HDI)强化和异质变形诱导（HDI）加工硬化。

软区中的几何必要位错(GND)在区域边界附近堆积和积累，在软区产生背应力，在硬区产生正应力，共同产生HDI应力。HS材料具有独特的变形行为：形成分散的微观应变带，有助于将塑性应变分布在整个标距长度上，从而提高均匀伸长率。

它们可以很容易地使用传统的工业技术和设施以大规模和低成本生产。优异的性能、新材料科学和巨大的应用潜力正在推动HS材料领域的快速发展。这篇综述旨在向学生和研究人员介绍这一新兴领域，并作为HS材料参考。

异质结构(HS)材料在自然界中普遍存在，并已被用于多种类型的人造结构和部件中，尽管直到最近科学家们还没有很好地定义或系统地研究HS材料作为一类材料。

HS材料比均质材料表现出更优越的功能和机械性能，这就是为什么它们被自然进化选择并经常被人类探索的原因。在这篇评论文章中，我们将主要关注结构HS材料的机械性能，尽管也将简要讨论一些功能性能。

HS材料因其优越的性能和巨大的应用潜力而迅速成为一个主要的研究领域。例如，据报道，异质片层钛具有纳米结构钛的高强度和粗晶钛的良好延展性，根据我们的传统教科书和文献知识，这是不可能的性能组合。

更重要的是，这种异质结构可以使用现有的工业设施以低成本制造，这使得它们的商业化比其他先进材料更容易。

看来，我们对材料科学的传统理解往往不足以解释HS材料的机械行为，在我们设计具有优异性能的HS材料之前，还有许多科学问题需要解决。例如，异质结构钛通过冷变形加工，然后进行部分再结晶退火。冷变形产生了具有高强度但低延展性的纳米结构。

退火降低了整体位错密度并产生了一些大的微米级晶粒，根据我们的传统教导，这两者都应该降低强度。然而，异质结构的钛在退火后仍保持高强度，与传统的材料科学背道而驰。

它将需要来自材料科学、力学和计算建模等领域的研究人员的共同努力，以解决一些高热材料的基本问题。换句话说，HS材料领域代表了科学家探索的新前沿，在现实世界的应用中具有非常大的潜力。这也是为什么它迅速吸引了全球众多知名研究团体加入这一研究领域的原因。

本综述的目的是向材料研究界介绍HS材料，特别是异质结构材料的定义、它们的基本原理、加工技术、微观结构、性能和潜在应用。本文的目标读者是在该领域工作的研究生、正在进入这一新兴研究领域的研究人员，以及已经在研究异质结构材料的科学家和工程师。讨论异质结构材料的历史视角、范围和定义。

异质结构（HS）材料是一类材料，不仅为基础研究奠定了科学基础，而且具有快速工业应用的巨大潜力。新材料的商业化和实际应用往往受到以下两个关键因素的阻碍。第一个因素是大规模工业生产技术的可扩展性。这通常需要广泛的研究和开发。将新技术从实验室扩大到商业生产通常需要很长时间，而且成本非常高。

在实验室中运作良好的东西可能无法大规模运作，或者可能无法始终如一地运作以轻松控制商业产品的质量。第二个因素是成本，其中包括购买和安装生产设施的成本以及生产产品本身的成本。开发新材料以启用新技术或替代现有材料。

现有材料的更换对汽车等民用产品的成本特别敏感。一项新技术的商业化规模扩大通常处于研发阶段，此时基础研究的公共资金正在枯竭，而该技术还不够成熟，无法从营利性公司吸引足够的私人资金用于商业化。因此，该技术在无法获得足够的资金来维持其研发活动的情况下就消亡了。有前途的技术在这个阶段经常死去，被称为技术“valley of death”开发新材料以启用新技术或替代现有材料。现有材料的更换对汽车等民用产品的成本特别敏感。

HS材料的最大优势之一是它们可以通过当前的工业技术和设施生产，这消除了它们商业化的任何技术障碍。它还避免了前期的巨额资本投资。采用当前的工业技术和设施使得以低成本生产HS材料非常经济，这使得它们与现有材料相比具有竞争力。

例如，HS钢可以在钢厂使用当前的工业轧制和退火工艺进行加工，这可能会为汽车等制造业开发一系列新的高性能和低成本钢。事实上，常见的工业热机械技术和设备，如锻造、轧制、挤压、拉拔、和热处理都可以用来加工HS金属和合金。正是这种工业应用潜力使HS材料具有长久的使用寿命。

作为一个新材料领域，有许多已知和未知的基础和工程问题有待解决，这为材料界提供了丰富的研究机会。

一种新的科学原理，异质变形诱导(HDI)强化和HDI硬化，是HS材料优异机械性能的原因，这是决定其机械性能的主要因素。HDI强化和HDI硬化增加了传统的基于位错的强化和硬化，以提供额外的强度和延展性增强。下面我们将讨论HS材料领域迄今为止已知的科学和工程问题。

第一个问题是几何必要位错(GND)与区域边界的相互作用，以产生异质变形诱发(HDI)应力。从逻辑上讲，当GND阵列滑向区域边界时，它们可能会停在边界前面、传输穿过边界、推入边界或从边界反射。他们也可能会交叉滑倒以逃离堆积。这些情景将决定产生HDI强化和硬化的有效性。这些情况的发生将受到材料的固有特性（如层错能和晶体结构）以及区域边界结构和取向错误、跨界强度差异、跨界晶体结构差异等微观结构特征的影响。ETC

GND对区域边界的堆积是在软区产生背应力和在硬区产生正向应力的最有效方式，从而产生高HDI应力。堆垛层错能量(SFE)应该会影响GND堆积。低SFE促进平面位错滑移，使GND更容易堆积，而高SFE使GND更容易交叉滑移，避免长时间堆积。

因此，可以推断SFE会影响HDI应力的发展和HDI硬化。这需要系统的研究。在铜青铜层状结构的原位TEM研究中观察到GND被推入区域边界并被边界吸收的情况。区域边界对GND的吸收和传输在逻辑上将导致堆中GND数量的饱和。这些需要进行研究，以便我们了解高密度脂蛋白的演变和高热材料的机械行为。其他未知的GND-zone边界相互作用也可能存在，这将在未来被发现。

第二个问题是分散剪切带的成核和生长机制，以及它们与GND堆积的关系。迄今为止，在几乎所有报道的HS材料中都观察到了高度分散的应变带。HS材料将塑性变形分布在更长的标距长度上，以延迟主要应变局部化的形成，从而使样品失效，这是一种有效的方法。探索局部应变带的成核和生长机制至关重要。一种假设是局部应变带的成核与一个或多个GND堆积有关，但这还有待实验验证。这对于理解HS材料的变形机制至关重要。此外，怀疑局部应变带最有可能是剪切带，即由局部剪切应变引起，

第三是计算研究，结合实验研究，探索GND与区域边界的相互作用，然后需要分析建模来推导方程，以预测最佳的异质区域尺寸、几何形状和分布，以获得最佳的强度-延性组合。迄今为止报道的异质结构材料主要是通过试错法制成的。尽管我们已经对如何设计HS材料有了一些基本的想法，正如上一节所讨论的，但我们仍然对HS材料的了解不足以定量设计异质结构。最终目标是使用其组成和所需的异质结构设计HS材料，以获得最佳的机械或物理性能。

第四个问题是结合不同的异质结构来开发双异质结构或三重异质结构，并将异质结构与常规增韧机制如相变诱导塑性（TRIP）、孪晶诱导塑性（TWIP）或变形孪晶等协同耦合。应变硬化机制在不同的应变阶段依次激活，它可以在非常高的拉伸应变下保持高应变硬化率，即产生非常高的延展性。在异质结构高熵合金中报道了多应变硬化(SMSH)策略的顺序激活，这是该方向和超细晶粒材料的首次成功尝试。HS结构之间以及与其他传统增韧机制之间存在无限可能的组合，这为HS材料提供了广阔的设计空间。

第五个问题是异质结构可控性好、可扩展性好、加工成本低的加工技术的发展。这对于异质结构材料的实际商业应用至关重要。





审核编辑：刘清