赵永好教授团队在解决材料性能难以兼容的难题方面取得进展

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近日，我校材料学院赵永好教授团队受大自然的启发，独辟蹊径地提出根据材料具体使用环境而把材料的微观结构在宏观上进行定向精细设计的新概念，并利用这一概念具体成功解决了高铁铜导线的高强、高导的悖论难题。该研究成果发表在国际著名期刊《Nano Letters》，题为“Breaking Material Property Trade-offs via Macrodesign of Microstructure”（论文第一作者为南理工16级博士生毛庆忠，合作者有南理工刘吉梓副教授和西北有色院张于胜教授，赵永好教授为论文唯一通讯作者。）
       人类现代工业的飞速发展给材料的多功能化提出了异常迫切的的需求。多功能材料是指同时具有两种以上优异性能的材料。遗憾的是材料的很多性能都是相互不兼容甚至是完全排斥的，这就是所谓的材料性能悖论（或矛盾）；它普遍而广泛的存在于自然界中，为人类科技进步设置了难以逾越的障碍，结构和功能材料的重要性能都存在这样的悖论。
        材料的性能决定于其微观原子结构和组织结构。因此，人类在过去的半个世纪里，利用新兴的纳米技术，向材料性能悖论发起了顽强而不懈的挑战。比如，bimodal可以进一步优化金属的强韧性，异质异构复合材料可以把不同性能复合在一起。这些方案通过微观结构的调整都或多或少把相互矛盾的性能优化到了一起。从而使材料性能悖论这一自然留给人类的棘手难题获得了一定程度的解决。
       万事万物都是相克而又相生，从而演化成了和谐的大自然。对于自然留给人类材料性能悖论的这一难题的答案，还得向自然界这位艺术大师本身来寻找。竹子等植物为了解决既要横向抗折断又要纵向传递水等养分而进化出来了沿纵向排列的纤维结构。贝壳为了抵抗垂直方向的断裂而进化出了钙化物和蛋白交替排列的多层膜结构。牙齿为了耐磨而在表面进化出了纳米结构。可以看出，大自然把生物体材料的微观结构在宏观上根据各自的具体服役特点和使用需求而进行了巧妙而精细的优化设计，从而进化出了具有多功能化的生物体材料。同结构、性能都已经优化到了极致的生物体材料相比，目前的人造材料都还过于简单和单一，比如从原子结构而言，大多材料是单相，高级一点的是复相；从性能而言，大多是宏观各向同性材料，而具体服役零件都是有方向性的，这势必造成了物不能尽其用的浪费。
        不同于文献上所报道的异质异构复合优化这些概念，本团队受大自然的启发，独辟蹊径地提出根据材料具体使用环境而把材料的微观结构在宏观上进行定向精细设计的新概念，并利用这一概念具体成功解决了高铁铜导线的高强、高导的悖论难题（图1-3）。这一基于材料具体使役条件而将微观结构在宏观上进行有目的设计的新理念为解决材料相互矛盾的性能提供了别样的方法和思路，是人类主观能动的改造自然的一个体现和从0到1的原创突破，真正做到了精准使用材料，并把材料的性能发挥到了极致；此外，这一概念可以被应用解决其它的材料性能悖论，可以给不同领域的学者新的启发；比如对于电池材料，可以根据宏观充放电方向去有目的的调整微观结构；对于催化材料，可以根据反应的方向去调整反应通道和催化点；对于结构材料，可以根据受力方向去调整其微观结构；对于热电材料，根据导热和导电方向去优化性能等等。

图1旋锻铜的微观结构：(a) 旋锻铜的样品照片，(b) 旋锻铜的轴向EBSD照片，(c) 旋锻铜的径向EBSD照片，(d) 旋锻铜的径向和轴向TEM照片，(e) 旋锻铜的HRTEM照片

图2旋锻铜的力学性能、热稳定性和导电性：(a)拉伸曲线，(b)屈服强度和断裂延伸率，(c)等温退火硬度随退火时间的演化，(d) 旋锻铜的导电性能，(e) 不同退温度和退火时间所对应的微观结构

图3 (a,b) 旋锻铜的屈服强度、导电性和热稳定性和文献数据比较，(c) 旋锻铜的高强、高导解释示意图，(d) 旋锻铜的定向性能优化(d-2)和文献均匀随机性能优化比较(d-1)  

        该研究工作获得国家重点研发计划“纳米科技重点专项”（课题编号：2017YFA0204403）、国家自然科学基金（课题编号：51971112 和 51225102）和中央高校基本科研业务费专项资金（课题编号：30919011405）资助。
        赵永好长期从事块体纳米金属和高熵合金的力学性能、变形机理、结构表征、相变规律和热稳定性以及制备的基础研究。先后在国际学术刊物发表SCI文章200余篇，论文被他人SCI引用10400余次，授权美国发明专利1项，中国发明专利30余项。2011 年，赵教授回国创建了南京理工大学纳米材料中心，并于2013年获得国家杰出青年科学基金资助，围绕限制纳米/超细晶金属工业化应用的数个瓶颈难题相继开展了研究，发表SCI论文100余篇，一区论文30余篇，获专利30余项。


       文章来源：南京理工大学
       赵永好,南京理工大学教授,男，1971年1月生，工学博士，教授，博导，国家杰出青年科学基金获得者，南京理工大学材料科学与工程学院纳米结构材料中心执行主任，江苏省高层次创新创业引进人才。