導讀：材料的許多性質是互不相容的，甚至是完全排斥的。本文針對材料性能的權衡悖論提出了一個新概念，即根據材料的具體使用要求定向設計材料的微觀結構，以最大限度地精準利用材料的性能。利用這一概念，作者成功地解決了高速列車中銅接觸線的高強度和高導電性的悖論。該概念可以用來解決功能和結構材料的其他性質悖論。

隨著現代工業的快速發展，迫切需要同時具有兩種以上優異性能的多功能材料。不幸的是，材料的許多優異性能很少共存，即所謂的性能權衡悖論。作為自然界的普遍規律，這種悖論廣泛存在于結構和功能材料的重要性質中，如電池材料的能量和功率密度、熱電材料的電導率和Seebeck系數/熱導率、介電材料的極化和擊穿強度、磁性材料的磁化和矯頑力、催化材料的反應物遷移率和催化活性位、結構材料的強度和延展性/電導率/熱穩定性等。在過去的半個世紀里，人類利用新興的納米技術對這個難題發起了頑強而不懈的挑戰。例如，雙峰和異質復合材料概念可以通過將有利于獨特性能的相應微結構組合在一起而或多或少地優化性能。

對于物質表現悖論的答案，我們不得不從自然本身的藝術家身上尋找。為了抵抗橫向斷裂和縱向運輸營養物質，竹子和其他樹干沿著縱向進化出了纖維結構。同樣，貝殼進化出了多層結構來抵抗垂直斷裂，牙齒進化出了表面上的納米結構來抵抗磨損。大自然巧妙而精細地優化了生物材料的微觀結構根據其特定的服務要求而變化，從而演化出多種功能。相對于生物材料，現在的人造材料還是比較簡單的。比如從原子結構來看，大部分人造材料都是單相的；從性能的角度來看，它們中的大多數是各向同性的，這導致材料性能沒有被充分利用，因為特定的服務部件總是宏觀的和定向的。

納米中心趙永好教授團隊受大自然的啟發，獨辟蹊徑地提出根據材料具體使用環境而把材料的微觀結構在宏觀上進行定向精細設計的新概念。并利用這一概念具體成功解決了高鐵銅導線的高強、高導的悖論難題（圖1-3）。不同于文獻上所報道的異質異構復合優化這些概念，這一基于材料具體使役條件而將微觀結構在宏觀上進行有目的設計的新理念為解決材料相互矛盾的性能提供了別樣的方法和思路，是人類主觀能動的改造自然的一個體現和從0到1的原創突破，真正做到了精準使用材料，并把材料的性能發揮到了極致。相關研究成果以題“Breaking Material Property Trade-offs via Macrodesign of Microstructure”發表在Nano Letters上。論文作者為毛慶忠（南理工）、張于勝（西北有色院），劉吉梓（南理工），趙永好（南理工，通訊作者）。

鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00451

此外，這一概念可以被應用解決其它的材料性能悖論，可以給不同領域的學者新的啟發；比如對于電池材料，可以根據宏觀充放電方向去有目的的調整微觀結構；對于催化材料，可以根據反應的方向去調整反應通道和催化點；對于結構材料，可以根據受力方向去調整其微觀結構；對于熱電材料，根據導熱和導電方向去優化性能等等。

表1 性能1和2的典型相悖的代表

圖1 ε=2.5的鍛造銅的顯微組織。（a）CG和鍛造銅棒的圖片。（b）側視圖中的EBSD晶體取向圖。（c）從頂視圖（c-1、c-3）和側視圖（c-3）看的EBSD晶體取向圖（c-1、c-3）和GB圖（c-2）。insets分別是反極圖和顏色示例。c-2中的黑線和紅線分別代表2到15之間的高角度GBs （>15）和低角度GBs。（d）俯視（d-1）和側視（d-2）的TEM圖像。插圖是選定的區域電子衍射（SAED）圖案。（e）低角度晶界的高分辨率TEM圖像。傅里葉逆變換（e-4）揭示了由多邊形位錯墻形成的鋸齒形低角GBs。

圖2 ε=2.5的鍛造銅的機械、熱和導電性能。（a）在室溫和液氮溫度下測試的鍛造銅和重心銅的準靜態拉伸曲線。頸縮的起始處用空方塊標出。（b）屈服強度和延展性（斷裂伸長率）與型鍛變形應變的關系。（c）在473、523和573 K的等溫退火過程中的顯微硬度演變。（d）CG、鍛造和退火Cu的導電性。（e）等溫退火過程中微觀結構的演變。

與文獻中雙峰或異質復合材料的傳統概念不同（圖3d-1），該的概念旨在根據特定的工作方向進行微觀結構的宏觀方向設計，以便充分利用材料的性能，如圖3d-2所示。我們的概念可以用來解決物質屬性的其他悖論。用于電池、熱電、催化等。功能材料和結構材料，我們可以分別根據充放電、熱傳導和傳導、反應和加載的宏觀工作方向，有目的地設計它們的微觀結構。顯然，我們沒有改變物質屬性悖論的自然規律。一個方向上的優秀特性是以另一個方向上的特性為代價的（圖3d-2）。這告訴我們，我們不一定要花精力去做各方面都完美的材料，而是要在刀刃上用鋼。最后，微觀結構的宏觀設計（包括晶粒尺寸、形貌和取向等。）可以進一步擴展到成分（不同元素）、相 （面心立方、體心立方、六方密堆積等不同結構）等宏觀設計。在這方面，梯度材料和分級微結構也可以歸入這一類。

圖3 通過不同的嚴重塑性變形和粉末燒結方法制備的純銅的屈服強度和導電性/熱穩定性之間關系的文獻綜述。（a）屈服強度與導電性。（b）晶粒尺寸與退火溫度的關系。ED，電沉積；SPS，放電等離子燒結；ECAP/R/E，等通道轉角擠壓/軋制/擠壓；DCT，深冷處理；低壓/直流，液體壓制/拉伸；DPD，動態塑性變形；CR，冷軋；SMGT，表面機械研磨處理；LSEM，大應變擠壓加工。（c）銅在型鍛和退火過程中微觀結構演變的示意圖及其對機械和導電性能的影響。（d）傳統的權衡性能優化和我們根據服務方向進行微觀結構宏觀設計的概念的示意圖。

簡而言之，作者提出了一個基于材料特定的應力、應變、應力、應變條件的材料微觀結構宏觀設計的概念。通過旋鍛制備了一種具有超長晶粒的銅線，該銅線具有良好的熱穩定性和高強度。通過隨后的退火，伴隨著380MPa以上的屈服強度，獲得了103%的IACS電導率。我們的工作為性能權衡悖論提供了另一種解決方案。