近日，吉林大学材料科学与工程学院郑伟涛、张侃教授团队与美国内华达大学拉斯维加斯分校陈长风教授合作，在Nature Communications杂志上发表了题为“Bamboo-like dual-phase nanostructured copper composite strengthened by amorphous boron framework”的文章，报道了一种类竹状的铜硼纳米复合结构薄膜材料，实现了高硬度、高强度和高延展性的兼得。

兼具高硬度和高延展性的类竹状结构铜硼薄膜

提高材料硬度和强度的同时获得高的延展性是结构材料的重要研究方向，对多个科学领域和技术的应用产生影响。晶界工程作为一种巧妙的方法，可通过调整相邻微晶界面的组成和键合结构，是提升结构材料力学性质的重要手段。特别是在纳米晶材料方面，材料的极限强度不仅仅由传统的位错运动所决定，晶界在不同载荷下的响应行为对力学性质的影响十分关键。

自然界是新材料设计的灵感源泉，具有天然生物纤维的材料往往具有成分简单、结构精细、高强高韧等特性。其中，竹子由竹纤维鞘和薄壁组成，增强相和基质相结合而形成的连续纤维增强复合材料具有优异的力学性质。研究团队受该结构启发对薄膜材料进行微结构设计，提出向铜基质中引入不相溶的硼元素实现晶界调控，通过磁控溅射共沉积技术自下而上生长了一种贯穿的，由非晶硼框架加固的“类竹状”纳米柱状铜薄膜材料。非晶硼框架抑制了薄膜软质相在压痕形变过程中的剪切失稳，使更高的压缩强度主导了薄膜的硬度。在微柱压缩过程中该结构能够很大程度避免由剪切引起的失效，增强了材料的延展性，进而获得更优异的综合力学性质。通过晶粒细化的铜与非晶硼框架的结合，使该薄膜材料的压痕硬度达到了10.8 GPa，同时保持优异的强度（屈服强度~1.36 GPa，流动应力~2.58 GPa）和延展性（失效应变超过50%）。

这一工作提出通过不混溶的金属和轻元素与自下而上的生长工艺相结合，获得具有类竹状的新结构，实现了结构材料硬度、强度与延展性的兼得，为强韧化结构材料的微结构设计与制备提供了新的见解和思路。

吉林大学材料科学与工程学院硕士研究生吕航和博士研究生高鑫鑫为本文共同第一作者。本文通讯作者为吉林大学材料科学与工程学院张侃教授和物理学院刘畅博士。该工作得到了国家自然科学基金，中国博士后科学基金，吉林省自然科学基金资助。

论文全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40580-8