上交大&西交大 l 增材制造实现非晶纳米颗粒的弥散强化，制备出GPa级铜基复合材料！

3D科学谷洞察

利用激光粉末床熔融技术实现了非晶态纳米颗粒的原位纳米破碎和快速熔淬。这种技术不仅提高了材料的性能，还提供了一种高效、精确的制造方法，适用于复杂形状和结构的制造，拓宽了增材制造在高性能材料领域的应用范围。”

在金属材料中，分散障碍物（如硬质颗粒和析出相）来阻挡移动的位错是一种常用的强化方法，这种被广泛采用的“弥散强化”机制常常会牺牲延展性，因为位错在障碍物处的堆积会导致应力集中，从而促进裂纹的萌生。

据报道，非晶相及其与基体的界面可充当位错源和位错阱，这将有助于减轻障碍物处的应力集中，研究人员在此提出用非晶态纳米颗粒取代传统的晶态弥散相，这可能会解决该问题。因此，非晶态纳米颗粒会是一种合适的弥散相选择，它能延缓损伤的萌生，从而显著提高延展性以及其他对损伤敏感的应用性能，比如抗疲劳性能。

长期以来，人们一直利用纳米颗粒或析出相来阻挡位错，从而强化金属，但不可避免会在障碍物处增加应力集中，引发裂纹萌生，进而降低金属的延展性。

【成果速览】

在此，上海交通大学张荻教授、李赞副教授联合西安交通大学马恩教授等人展示了一种策略，即用致密的非晶态纳米颗粒取代传统的晶态弥散相，而这一策略可通过激光粉末床熔融技术得以实现。

作者以无孔隙的铜基纳米复合材料作为原型进行了验证，该复合材料通过原位纳米破碎和快速熔淬工艺，含有密集且均匀分布的非晶态碳化硼纳米颗粒（平均直径约为47nm，体积分数高达12%），这些非晶态纳米颗粒充当位错阱，从而减轻了局部应力集中，还会随着拉伸变形而自行硬化，促进应变硬化，进而实现均匀的塑性流动。

该增材制造复合材料的拉伸强度超过1GPa，总伸长率约为10%，是晶态弥散相复合材料的两倍多。在增材制造块状纳米复合材料的循环变形过程中，缺陷积累也得到抑制，其疲劳强度极限（循环次数大于107次时）超过了拉伸强度的70%，该研究结果展示了一种用于增材制造高性能金属材料的有效策略。

相关成果以「Dispersion hardening using amorphous nanoparticles deployed via additive manufacturing」为题刊登在Nature Communications上，通讯作者：上交大张荻、李赞，西交大马恩

【数据概况】

图1.激光粉末床熔融（L-PBF）制备纳米复合材料的设计原则和微观结构。

图2.微粒的纳米破碎机制。

图3.激光粉末床熔融铜基纳米复合材料的力学性能和功能特性。

图4.激光粉末床熔融铜基纳米复合材料的变形机制。

【结论展望】

该研究揭示了在L-PBF过程中弥散相的一种原位纳米破碎和快速淬火机制，通过该机制，大量密集的非晶态纳米颗粒能够被分布在金属基体晶粒内部。这些非晶态陶瓷纳米颗粒对位错的扩展产生显著的阻碍作用，同时吸收多余的位错以避免应力集中。这种特性，再加上其自身的硬化能力和热稳定性，使得增材制造的铜基纳米复合材料具备了前所未有的力学性能和功能特性的组合。

这种弥散策略适用于多种颗粒-金属体系，并且对于那些不适合采用激光粉末床熔融增材制造工艺的反射性金属（如铜和铝）是必不可少的。通过其他工艺（如粉末冶金和化学气相沉积）加工金属时，利用非晶态纳米颗粒的这一理念也会激发新的设计思路，因为在这些工艺中存在多种可调节纳米颗粒分布和亚稳状态的选择。相信这种创新的复合材料设计策略能够极大地拓展金属材料微观结构工程领域，实现优异性能的组合，以满足尖端应用的需求。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58893-1

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