神仙家庭，兄妹俩都是Nature/Science的常客
质料办事于百姓经济、社会进展、国防设置装备摆设和人民生存的各个范畴，成为经济设置装备摆设、社会前进和国度宁静的物质底子和先导，支持了整个社会经济和国防设置装备摆设。此中质料又重要分为金属质料、无机非金属质料、有机高分子质料和复合质料，这此中，金属质料是人类汗青上体系的应用研究时间最长，在现在应用也较为遍及的一种紧张质料。对其身分、构造布局、性能三者之间的干系及改变纪律的研究也显得至关紧张。
传统金属质料四大经典强化理论重要是：1）形变强化（加工硬化）；2）固溶强化；3）第二相强化；4）细晶强化。但传统的强化技能均会使质料的塑性、韧性、导电性、热稳健性等明显降落。金属质料强度-塑性/韧性/导电性等的“颠倒”干系限定了金属质料在更高程度和更广范畴的应用，成为制约金属质料进展和应用的重要瓶颈。
中科院金属所卢柯院士团队十余年来连续开展纳米金属质料的制备、力学举动及其机理、应用探究等研究，提出金属质料的纳米孪晶强韧化机制，成为金属质料四大经典强化理论之外又一紧张强化理论。这个发觉突破了强度-导电性颠倒干系并开辟了纳米金属质料一个新的研究偏向。纳米孪晶强化道理已经在多种金属、合金、化合物、半导体、陶瓷和金刚石中得到验证和应用，成为具有普适性的质料强化道理。
在纳米孪晶和块体纳米布局金属质料范畴，不得不提一位专家卢磊研究员，她的二哥正是卢柯，兄妹俩都是Nature/Science的常客！
【进修型家庭】
怙恃都是中学西席。父亲卢甲骥结业于郑州大学数学系，文革前支边到甘肃华池，在华池一中、二中做数学老师，以是卢军三兄妹数学极好。哥哥卢军比卢柯大两岁，中国闻名高尔夫大球场设计师，1993年开始高尔夫球场设计事情，是我国第一批从事球场设计并对峙至今的设计师之一。至今已完成中国40余座高尔夫球场设计，作品曾获中国“最佳球场设计奖”和“最佳新球场奖”。中国高尔夫协会园地委员会2008年特付与他“中国资深高尔夫球场设计师”称呼；高尔夫传媒（中国）2009年付与他“良好球场设计师”称呼。他与苏德荣传授合著的《高尔夫球场设计学》一书，弥补了中国高等院校高尔夫设计课本的空缺。
二哥卢柯，16岁上大学，38岁当选院士，我国闻名的质料科学家，中国科学院院士、进展中国度科学院院士、德国科学院院士、美国国度科学院外籍院士。现任十三届天下政协常委，辽宁省副省长，九三学社中间副主席，中国科学院金属研究所沈阳质料科学国度研究中间主任。
妹妹卢磊同为中科院金属研究所的研究员，是故国质料科学范畴的紧张专家。卢甲骥曾说,「我家支边,最大的劳绩便是三个孩子都有了前程。」除卢军外，卢家都住在沈阳金属研究所大院，在深厚的科学气氛下，据悉卢家的第三代也选择了攻读质料科学偏向。
【巾帼不让男子，卢磊简介】
卢磊，博士，女，中科院金属研究所研究员、博士生导师，中科院人才打算、国度良好青年科学基金、国度级人才打算得到者，科技部“纳米科技”重点专项总体专家构成员，辽宁省“兴辽打算”创新领武士才等。
现任国际纳米质料、国际质料强度大会委员会委员；Acta Materialia和Scripta Materialia期刊编辑。重要从事纳米布局金属质料的制备、力学性能及变形机理的底子研究。颁发SCI论文110余篇（此中包罗Science5篇，Nature 2篇）, 被SCI文章引用>15000次，获国内发明专利15项，国际发明专利6项。比年来在国际学术集会做大会、主题和聘请陈诉70余次。曾获中科院院长奖学金格外奖、天下优异百篇博士学位论文奖、中国青年女科学家奖、2014-2016年获汤森路透“环球高被引用科学家”，2015-2020年获爱思唯尔“中国高被引学者”、2019-2020年获中国科学院“优异导师奖”、2021年获“TMS Brimacombe Medal Award”等奖项。
卢磊研究员课题组重要从事块体纳米布局金属质料的研究，包罗样品制备、微观布局表征、布局稳健性、综协力学性能和理化性能。通过了解其布局性能干系，展现纳米布局金属质料的强韧化机理。课题组对准国际前沿和国度庞大需求，对峙原创性研究，不停拓宽研究底子，致力于在多标准纳米金属质料的布局设计、制备技能方面取得突破，深入研究多标准纳米金属质料布局稳健性、微观布局与性能的本征干系，展现多标准纳米金属质料强韧化机理，实现金属质料综合性能的团体进步。同时课题组看重人才造就，格外是研究生步队科研本领和综合素养的造就与进步，认为质料科学研究造就优异后备人才为紧张任务。
【7篇正刊集锦】
1、Science:具有杰出强度和延展性的梯度单位布局高熵合金
多主元高熵合金的强度进步每每陪同塑性的低落，这种强塑性相互抵牾重要泉源于金属质料的塑性变形机理。即质料中的线缺陷，如位错的活动奉献塑性，但位错的堆垛与塞积则奉献强度。近期，中国科学院金属研究所卢磊研究员（第一通讯）团队与美国田纳西大学、橡树岭国度试验室、阿贡国度试验室的科学家互助在这一科学困难研究方面取得紧张希望。研究职员通过小角度往复旋转梯度塑性变形技能，在Al0.1CoCrFeNi高熵合金中引入梯度位错胞稳健布局，同时连结其原始晶粒的形貌、尺寸和取向稳定。拉伸力学测试效果评释：这种新型布局不但明显进步质料屈服强度，是粗晶和细晶质料的2-3倍。同时还使其连结精良的塑性和稳健匀称的加工硬化。其强塑积-屈服强度立室显着优于文献报道中雷同身分的匀称或梯度布局质料。对变形机理的研究效果评释：从质料的顶部外貌到心部，合金在变形历程中存在明显的一连硬化。这种硬化特性与梯度纳米晶通例金属的变形诱导一连软化的机制有很大的差别。高熵合金中梯度位错布局在塑性变形历程中激活了不全位错--层错的相互作用，从而诱导塑性变形机制。在变形初期，纳米级另外微小层错从位错胞壁形核、然后不停滑移并扩展，其密度随拉伸应变增添而增添，渐渐演化成超高密度三维层错（和少量孪晶界）网格，直至充满整个晶粒。超高密度微小层错/孪晶的形成与位错相互作用，和谐变形。一方面有用促进了其塑性变形并进一步细化初始位错布局、拦阻别的缺陷活动而奉献强度。另一方面，层错和孪晶的形成拦阻了位错的均匀自由程，增添了合金内部缺陷的密度，从而导致合计超等的加工硬化，进步了团体的塑性变形。
图 1. Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典范梯度位错布局
论文链接：
http://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abj8114.
2、Science: 梯度纳米孪晶布局质料强度—加工硬化的协同进步
天然界中梯度布局无处不在。迩来，微观布局梯度的观点被越来越多地应用于工程质料中。鉴于其奇特的变形机制，梯度布局质料广泛体现出较好的强度、硬度、加工硬化及抗委顿性能等。但怎样了解布局梯度对力学性能的影响纪律恒久以来面对庞大挑衅。其缘故原由之一是现有技能很难制备出布局梯度准确可调控的块体质料，如外貌加工或机器处置惩罚技能所获样品梯度层体积分数及布局梯度均有限，从而严峻限定了人们对梯度布局金属内涵梯度与力学性能相干性以及其本征变形机制的了解。
中国科学院金属研究所卢磊研究员课题组(第一通讯)和美国布朗大学高华健传授研究组互助在这一范畴取得突破性希望。他们利用直流电沉积要领合成体梯度纳米孪晶纯铜样品，其匀称纳米孪晶组分的图案化可控。单个组件由嵌入微米级柱状晶粒内的高密度、优先取向的纳米级孪晶界构成。他们观看到梯度引起的拉伸强度和加工硬化速率通过超过整个样品厚度的遍及布局梯度（双晶界间距和晶粒尺寸）加强。他们将扫描电子显微镜、透射电子显微镜中的双光束衍射技能和大范围平行原子模仿相联合，以确定梯度纳米孪晶Cu的潜伏强化机制。他们发觉增添布局梯度可实现梯度纳米孪晶布局质料强度—加工硬化的协同进步，乃至可凌驾梯度微观布局中最强的部门。梯度纳米孪晶强化的观点联合了多标准布局梯度，进一步进步了质料的强度极限，并为进展新一代高强度/延性金属质料提供了新思绪。
图 2. 高度可调的布局梯度，可进步金属的强度和可延展性
论文链接：
http://www.science.org/doi/10.1126/science.aau1925.
3、Nature: 纳米孪晶金属与汗青无关的稳健轮回相应
近90%的金属部件和布局的利用妨碍是由轮回应力幅值远低于相干质料的抗拉强度时的委顿引起的。金属在轮回变形历程中通常会蒙受大量累积的、不行逆的微观布局破坏，导致不稳健（硬化或软化）和汗青相干的轮回相应。现有的委顿寿命猜测规章，比方线性累积伤害规章，无法思量加载汗青的影响，工程部件通常受到振幅、均匀值和频率可变的庞大轮回应力的加载，比方湍流氛围中的飞机机翼.是以，在现实载荷谱下猜测轮回举动和委顿寿命通常极具挑衅性。中国科学院金属研究所卢磊研究员课题组(第一通讯)和美国布朗大学高华健传授研究组通过原子模仿和应力幅度低于金属拉伸强度的可变应变幅度轮回加载试验，他们陈诉了包罗高度取向的纳米级孪晶的块状铜样品的汗青独立且稳健的轮回相应。他们证明这种不平常的轮回举动是由一种相干的“项链”错位操纵的，该错位由相邻双胞胎中的多个短组分错位构成，像项链的链节一样毗连。这种位错在轮回加载下在高度取向的纳米孪晶布局中形成，并有助于维持孪晶界限的稳健性和可逆伤害，条件是纳米孪晶在加载轴的约度内倾斜。这种轮回变形机制差别于与单晶、粗晶、超细晶和纳米晶金属中不行逆微观布局伤害相干的通例应变局部化机制。
图 3. 纳米孪晶Cu与汗青无关的稳健轮回相应举动
论文链接：
http://www.nature.com/articles/nature24266.
4、Nature: 位错成核操纵纳米孪晶金属的软化和最大强度
晶格位错的形核和活动是多晶体质料的根本塑性变形机制。在传统多晶金属质料中位错的形核增殖和储存空间很大，是以其塑性变形历程每每由晶格位错的活动所决定，而位错形核通常不是塑性变形历程的主导身分。拦阻晶格位错活动的缺陷（如晶界或第二相颗粒等）越多，金属质料的强度则越高。然而对付纳米金属质料（晶粒尺寸在纳米量级），这一根本纪律受到挑衅，即因为晶粒内部空间减小和晶界的束缚作用，使晶格位错的形核及活动在差别水平上均受到严峻按捺，位错形核及活动在质料塑性变形历程和力学举动中的作用将出现新的特性。
美国布朗大学高华健传授研究组、美国阿拉巴马大学魏宇杰传授与中国科学院金属研究所卢磊研究员（参加）和卢柯研究员互助，利用大范围分子动力学模仿（1.4亿个原子）和位错形核分子动力学理论研究了纳米孪晶布局金属质料的变形机理，发觉当孪晶片层厚度减小来临界值时显现极植强度，此时由位错塞积和位错穿过孪晶界为主导的传统强化机制（通常切合Hall-Petch干系）将变化为由平行于孪晶界面不全位错的形核和活动（引起孪晶界迁徙）而主导的软化机制。该盘算模仿效果乐成地解说了纳米孪晶Cu样品中的极值强度和临界孪晶片层厚度的干系，同时进一步评释了该极值强度与晶粒尺寸的依靠干系，即晶粒尺寸越小，临界孪晶片层尺寸也越小，从而质料的极值强度越高。该研究从盘算模仿的角度展现了纳米孪晶布局金属中位错形核源主导的特别塑性变形机理，这不但深化了人们对金属质料力学举动及变形机理的纳米尺寸效应的了解，同时也对纳米孪晶布局金属质料的底子研究和现实应器具有紧张的理讲价值。
图 4. d=20 nm样品中的位错布局
论文链接：
http://www.nature.com/articles/nature08929.
5、Science: 通过在纳米标准上设计干系内部界限来加强质料
进步质料的强度是几个世纪以来质料研究的焦点题目。迄今为止强化技能的实质是通过引入种种缺陷（点缺陷、线、面及体缺陷等）拦阻位错活动，使质料难以孕育发生塑性变形而进步强度。但质料强化的同时每每陪同着塑性或韧性的急剧降落，造成高强度质料每每缺乏塑性和韧性，而高塑韧性质料的强度每每很低。恒久以来这种质料的强韧性“颠倒干系”成为质料范畴的庞大科学困难和制约质料进展的紧张瓶颈。
怎样进步质料的强度而不丧失其塑性？这是浩繁质料科学家面对的一个庞大挑衅。中国科学院金属研究所沈阳质料科学国度（团结）试验室卢柯研究员、卢磊研究员（参加）与美国麻省理工学院S.Suresh传授互助，在已往大量研究事情的底子上提出，为了使质料强化后得到精良的综合强韧性能，强化界面应具备三个要害布局特性：(1)界面与基体之间具有晶体学共格干系；(2)界面具有精良的热稳健性和机器稳健性；(3)界面特性尺寸在纳米量级(<100nm)。进而，他们提出了一种新的质料强化道理及途径----使用纳米标准共格界面强化质料。在2009年4月17日出书的《Science》周刊上登载了他们的特邀综述论文，细致论述了这项紧张研究结果。
图 5.用于强化金属和合金的布局修改示例的表示图
论文链接：
http://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1159610.
6、Science: 展现纳米孪晶铜的最大强度
多晶质料的强度随着晶粒尺寸的减小而增添，如众所周知的Hall-Petch干系所形貌的。强化源于晶界拦阻了晶格位错活动，从而使较小晶粒尺寸下的塑性变形越发困难。然而，在某个临界尺寸以下，重要的变形机制大概会从晶格位错运动变化为其他机制，比方与晶界相干的历程，而且预期会显现软化举动（而不是强化）。原子模仿已经证明白这种软化征象，而且猜测了最大强度的临界晶粒尺寸。在纯金属中，确定孕育发生最高强度的晶粒尺寸的一个停滞是得到具有微小布局域（几纳米数目级）的稳健纳米布局的现实困难。纯金属中纳米尺寸晶粒生长的驱动力，源于浩繁晶界的高过剩能量，变得云云之大，以至于纵然在情况温度或更低的温度下也很简单产生晶粒生长。中国科学院金属研究所沈阳质料科学国度（团结）试验室卢磊研究员（第一作者与通讯作者）向导的研究小组与卢柯研究员、丹麦国度试验室黄晓旭博士互助研究了差别孪晶厚度的纳米孪晶铜样品的最大强度。他们发觉强度随着孪晶厚度的减小而增添，在 15 纳米处到达最大值，然后在较小的值处软化，陪同着加强的应变硬化和拉伸延展性。最强的孪晶厚度源于屈服机制的变化，从超过孪晶界限的滑移转移到预先存在的易位错源的运动。值得一提的是，“纳米孪晶纯铜极值强度的形成机制”入选2009年度中国底子研究十大消息。
图 6. 具有差别均匀孪晶厚度的沉积态铜样品的TEM图像
论文链接：
http://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1167641.
7、Science: 铜的超高强度和高导电性
对付很多应用中的导电质料，通常同时必要高导电性和高机器强度。但是，Ag、Cu和Al等具有高导电性的纯金属非常柔软。通过种种要领强化金属，包罗固溶合金化、冷加工和晶粒细化，会导致电导率明显低落。比方，将纯铜合金化可以使强度进步两到三倍，但铜合金的导电率仅为纯铜的10%至40%。
固体的强度取决于固体对塑性变形的抗击力，它对固体的化学身分和微观布局很敏感。传统多晶金属的塑性变形重要由单个晶粒内的晶格位错举行。已经开辟了几种强化要领来限定位错活动。比方，细化晶粒会引入更多的晶界(GB)，这是晶内位错活动的停滞，使质料更难变形。固溶合金化或引入第二加强相对付形成晶格位错活动的停滞也是有用的。塑性应变也会导致硬化，由于会孕育发生更多的位错来制止进一步的位错运动。
全部这些基于引入种种缺陷（GB、位错、点缺陷或加强相）的强化要领也增添了导电电子在这些缺陷处的散射，从而增添了金属的电阻率。对付导电质料，这两个根本性子，高导电性和高机器强度，是抵牾的。
中国科学院金属研究所沈阳质料科学国度（团结）试验室卢磊（第一作者）与卢柯研究员（通讯作者）合成了具有高密度纳米级生长孪晶的纯铜样品。它们的抗拉强度比传统粗粒铜高约10倍，同时连结与纯铜相称的导电性。超高强度源于浩繁干系孪晶界对位错活动的有用拦截，这些孪晶界具有极低的电阻率，而其他范例的晶界则否则。
图 7. 沉积态Cu样品中典范微观布局的TEM观看
论文链接：
http://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1092905.
泉源：高分子科学前沿
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