導讀：生物啟發的分層設計展示了一種有前途的微觀結構解決方案，以避免人工材料中的多種復雜的性能權衡。然而，如何可行地、綜合地調整結構層次，特別是對于塊體材料而言，仍然具有極大的挑戰性。在此，報道了一種反直覺的現象- -探索鑄態塊體合金中高度發展的樹枝晶層次的多尺度微觀結構遺傳。在優化的熱機械加工過程中，本文小心地控制這些枝晶逐漸變形、伸長、排列和細化，而不是像傳統的合金加工范式那樣完全破壞它們。因此，在具有技術重要性的Cu Cr Zr合金中可控設計了類似于貝殼和竹子的分級纖維狀片層( HFL )結構。這種創新的HFL設計促進了具有連續多尺度相互作用和突出仿生屬性的多種協同微觀機制，從而提供了非凡的多功能性，特別是高強度-導電性的組合。

對安全關鍵和節能工程技術的探索需要高性能多功能材料的發展。不幸的是，所要求的臨界性質往往是相互排斥的；例如，提高強度往往會犧牲工程材料的延展性、韌性、導電性甚至熱穩定性。傳統的方法，如晶粒細化，可以改善材料性能的一個或兩個方面，但具有相當有限的能力來避免在單一材料中的多個互斥性能之間進行協調平衡。大自然的智慧在于其精致的、自組裝的層級結構，允許有效的全尺度功能適應，從而導致今天突出的多功能性。鑒于此，微結構層次被越來越多地引入到各種工程材料中。盡管有很大的前景，但在多個長度尺度上，特別是在塊體材料中，對結構層次進行可行的和綜合的裁剪是非常具有挑戰性的。此外，復制自然設計的相關技術不容易擴展到既定的和可負擔得起的工業加工路線。

為了通過生物啟發的設計策略來應對這些挑戰，本文報告了一種探索鑄態塊體合金材料中高度發展的樹枝狀結構的多尺度微結構遺傳的創新策略。利用這種"生物啟發、遺傳衍生"的策略，可控制地設計了長度尺度跨越5 ~ 6個數量級的分級纖維狀片層( HFL )結構。特別值得注意的是，這種獨特的HFL結構促進了多重協同增強的微觀機制，其特征是順序的、拓撲變化的多尺度相互作用和突出的仿生屬性。這些互補的優點成功地避免了廣泛研究/應用的Cu - 1.0 wt % Cr-0.1wt % Zr合金中的多種性能權衡 ，導致同時具有高電導率[ 80 %國際退火銅標準( IACS )]、屈服強度( 655 MPa )、均勻延伸率( 6.8 % )、熱穩定性、抗剪切損傷、鑄造缺陷容限、耐磨性、沖擊韌性甚至超高速拉伸性能。特別是，優異的強度-延展性-導熱性組合使我們的HFL增強材料優于迄今為止所有報道的Cu - 1.0 wt % Cr-0.1wt % Zr及其衍生或類似的合金體系，同時其破紀錄的性能優于其他最先進的塊體銅合金。總而言之，在銅合金中，如此可觀和多樣化的性能是前所未有的，這使得我們的HFL材料具有重要的應用價值。

除了高效益的多功能性外，生物激勵、遺傳衍生戰略的一個更大影響是，許多明顯的、以前無法實現的技術優勢得以實現。首先，在鑄態塊體合金中，枝晶是常見的，但通常不受歡迎，因為隨之而來的各種鑄造缺陷(例如,成分偏析)，并且在下游塑性加工過程中經常發生災難性的開裂。因此，在常規加工中，這些發達的枝晶需要通過成本高昂且耗時較長的高溫均勻化退火(以及其他復雜的治療方法)來完全消除。然而，我們反直覺地利用枝晶，在不犧牲其他關鍵屬性的前提下，極大地降低了在能源、時間和基礎設施要求方面的制造成本。其次，發達的樹枝晶作為天然的結構前驅體，為跨越多個長度尺度的結構層次設計提供了原位仿生途徑。因此，通過凝固或增材制造更高級的樹枝狀前驅體，可以獲得更高級的分級結構。此外，我們所采用的加工技術與當前的工業實踐是兼容的，因此我們所展示的策略應該可以很容易地擴展到其他合金體系，因為枝晶普遍存在于各種鑄態金屬材料中。

在此，上海大學、香港城市大學、德國馬普所、中國科學院金屬研究所、南京理工大學、新加坡南洋理工大學等國內外知名高校，研究了生物啟發，遺傳衍生的分級塊狀多功能銅合金。通過利用HFL結構使能的復雜內應力條件，激活了許多以前無法實現的變形和強化機制。它們在多倍長度的尺度上執行和相互作用，從強烈的多樣化位錯捕獲、大規模堆垛層錯增殖、9R相輔助的納米孿晶、自緩沖剪切帶到不斷強化的異質形變誘導硬化。這些場景甚至創造了遠超傳統均勻結構的卓越的、應變率容忍的動態特性。枝晶在金屬材料中普遍存在，但通常是不受歡迎的，而我們的"生物啟發，遺傳衍生"策略反直覺地利用了它們，實現了前所未有的高優值多功能性。相關研究成果以題“Bioinspired, heredity-derived hierarchical bulk multifunctional copper alloys”發表在金屬頂刊Article In Press上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123003504

圖1 受生物啟發，遺傳衍生的HFL結構。鑄態CuCrZr樣品的a，b，OM和SEM圖像。插圖顯示了Cr偏析的直接作用和間接作用映射。c，作為參考材料的UFG ECAP樣品的EBSD逆極圖( IPF )圖像。內插圖顯示了相應的情況HAADF - STEM圖像，白色箭頭標記致密的沿晶析出物。d-l，設計HFL樣本。d-h，SEM，EBSD IPF，EBSD IPF，TEM和HAADFSTEM以及EDS映射圖像。f，EBSD IPF圖像識別廣泛的LAGBs。LAGBs和HAGBs分別用綠線和紅線標記。i，HAGBs (上層)和HAGBs + LAGBs (下層)的粒度分布。J，納米析出相的ADF - STEM圖像。k，Cr和Cu + Cr元素的STEM - EELS 映射。l，雙峰析出相的Atomic - resolution STEM圖像和STEM - EELS 映射。( a、d、g)中的箭頭表示縱向方向。所有的LM和TM分別指縱向和橫向微結構。

圖2 多模態納米析出相和界面元素偏析。a，近原子尺度的APT重建圖顯示銅基體中的多模態富Cr析出相和Zr元素在晶界處的分布。b，( a )中Cr濃度隨90次旋轉的二維等高線顏色輪廓。擴大的原子圖顯示富Cr沉淀( c )和Zr偏析修飾的晶界( e )。富Cr沉淀相( d )和穿過晶界的圓柱體( g )的一維成分輪廓。GB是指晶界。f，Zr濃度的二維等高線顏色輪廓( e )。h，Zr，Cr和Cu在晶界處的原子圖。i，原子級HAADF - STEM圖像和原子級分辨率STEM - EELS圖像。

圖3  加工路線示意圖和由此遺傳衍生的多尺度HFL微觀結構分別為( a和b) . a中，2個鑲嵌體I和III分別表現為連續擠壓和旋轉鍛造。插圖II說明了我們刻意探索鑄態發達樹枝狀結構的多尺度微結構遺傳的設計理念，而不是像往常那樣完全打破它們。多尺度遺傳是由沿棒長軸的分級鑄態組織的漸進熱塑性變形、伸長和排列，以及沿短軸的同步調整和細化來輔助實現的。結合定制的退火參數，成功實現了生物啟發的遺傳衍生HFL結構，其長度尺度在b中跨越5 ~ 6個數量級。

圖4 優異的機械性能和獨特的變形行為。a，UFG和HFL樣品的拉伸曲線。圖中插圖為拉伸變形的原位DIC觀察和UFG試樣宏觀斷裂韌性的共聚焦激光OM觀察；b，兩個試樣對應的應變硬化曲線和HFL試樣位錯密度的演變；c，HFL試樣的屈服強度與均勻延伸率相對于先前報道的Cu Cr Zr材料(與我們的材料具有相同或幾乎相同的成分)；d，屈服強度和均勻延伸率與電導率相對于先前報道的Cu Cr Zr材料(與我們的材料具有相同或幾乎相同的成分)為保證這些數據的合理性和準確性，根據這些文獻，c和d中不包括少量由小尺度拉伸試樣測得的高估性質。e，UFG和HFL樣本的多個屬性值或趨勢。耐磨性用磨損失重的倒數來表示。熱穩定性是指550℃退火3 h后的硬度與退火前硬度的比值。f，HDI應力和有效應力的關聯演化。g，HFL樣品的超高速和準靜態拉伸曲線。插圖顯示了UFG和HFL的沖擊能量Cu Cr Zr樣品. h，HFL樣品拉伸變形的多尺度耦合原位DIC觀測. i，彩色OM和SEM圖像顯示致密、穩定的SBs .右圖中的插圖為共聚焦激光掃描顯微圖像，進一步顯示并確認了流行的SB。

圖5 多尺度動態變形相互作用和硬化機制。a，b，兩幅STEM圖像。c，相應的示意圖揭示了( b )中位錯和納米析出物以及( d )中位錯和析出物或位錯之間的強烈相互作用。d，低角度ADF ( LAADF ) -STEM圖像及其鑲嵌顯示廣泛的位錯纏結和增殖。e，TEM圖像。f，STEM圖像和STEM鑲嵌顯示致密的GND堆積。g，高分辨率TEM圖像以及快速傅里葉變換( FFT )和原子分辨率TEM鑲嵌顯示致密的SFs和SF介導的Lomer-Cottrell鎖。h，TKD-EBSD IPF和相應的KAM圖像。i，TKD-EBSD IPF圖像顯示SBs。j，TEM圖像和選區電子衍射( SAED )圖案顯示孿晶和9R相。k，連續和畸變9R相的原子尺度TEM圖像。L，9R介導孿生的原子示意圖、HAADF - STEM圖像和STEM - EELS mapping揭示了富Cr析出相可以顯著釘扎晶界移動，提高材料的熱穩定性。GBs是指晶界。N，UFG和HFL樣品在250℃、350℃和550℃退火溫度下洛氏硬度隨退火時間的演變( 15h)。O，共聚焦激光掃描顯微鏡觀察UFG和HFL試樣的3D摩擦磨損形貌。在較低的磨損寬度和深度方面，我們的HFL材料顯示出明顯優于對比材料的耐磨性能Ecap Ufg對應。

總之，本文成功地構思并展示了一種有效的生物啟發、遺傳衍生的工程策略，闡明了潛在的過程-結構-多功能關系，實現了從仿生多尺度設計到高品質塊體多功能性的理想但具有挑戰性的范式。HFL材料的多功能特性和屬性是前所未有的，并且具有重大的商業和技術重要性，使我們的HFL材料在鐵路接觸導線和網絡、新能源電動汽車、電氣/微電子連接器、集成電路引線框架、電阻焊電極和聚變反應堆中的熱交換器等方面具有廣闊的應用前景。與當前高效和高性價比的工業實踐相適應，我們的生物啟發、遺傳衍生策略將在其他合金體系中找到更重要的應用，從而在高性能、下一代結構和功能一體化塊體材料的設計中實現概念轉變。