导读：生物启发的分层设计展示了一种有前途的微观结构解决方案，以避免人工材料中的多种复杂的性能权衡。然而，如何可行地、综合地调整结构层次，特别是对于块体材料而言，仍然具有极大的挑战性。在此，报道了一种反直觉的现象- -探索铸态块体合金中高度发展的树枝晶层次的多尺度微观结构遗传。在优化的热机械加工过程中，本文小心地控制这些枝晶逐渐变形、伸长、排列和细化，而不是像传统的合金加工范式那样完全破坏它们。因此，在具有技术重要性的Cu Cr Zr合金中可控设计了类似于贝壳和竹子的分级纤维状片层( HFL )结构。这种创新的HFL设计促进了具有连续多尺度相互作用和突出仿生属性的多种协同微观机制，从而提供了非凡的多功能性，特别是高强度-导电性的组合。

对安全关键和节能工程技术的探索需要高性能多功能材料的发展。不幸的是，所要求的临界性质往往是相互排斥的；例如，提高强度往往会牺牲工程材料的延展性、韧性、导电性甚至热稳定性。传统的方法，如晶粒细化，可以改善材料性能的一个或两个方面，但具有相当有限的能力来避免在单一材料中的多个互斥性能之间进行协调平衡。大自然的智慧在于其精致的、自组装的层级结构，允许有效的全尺度功能适应，从而导致今天突出的多功能性。鉴于此，微结构层次被越来越多地引入到各种工程材料中。尽管有很大的前景，但在多个长度尺度上，特别是在块体材料中，对结构层次进行可行的和综合的裁剪是非常具有挑战性的。此外，复制自然设计的相关技术不容易扩展到既定的和可负担得起的工业加工路线。

为了通过生物启发的设计策略来应对这些挑战，本文报告了一种探索铸态块体合金材料中高度发展的树枝状结构的多尺度微结构遗传的创新策略。利用这种"生物启发、遗传衍生"的策略，可控制地设计了长度尺度跨越5 ~ 6个数量级的分级纤维状片层( HFL )结构。特别值得注意的是，这种独特的HFL结构促进了多重协同增强的微观机制，其特征是顺序的、拓扑变化的多尺度相互作用和突出的仿生属性。这些互补的优点成功地避免了广泛研究/应用的Cu - 1.0 wt % Cr-0.1wt % Zr合金中的多种性能权衡 ，导致同时具有高电导率[ 80 %国际退火铜标准( IACS )]、屈服强度( 655 MPa )、均匀延伸率( 6.8 % )、热稳定性、抗剪切损伤、铸造缺陷容限、耐磨性、冲击韧性甚至超高速拉伸性能。特别是，优异的强度-延展性-导热性组合使我们的HFL增强材料优于迄今为止所有报道的Cu - 1.0 wt % Cr-0.1wt % Zr及其衍生或类似的合金体系，同时其破纪录的性能优于其他最先进的块体铜合金。总而言之，在铜合金中，如此可观和多样化的性能是前所未有的，这使得我们的HFL材料具有重要的应用价值。

除了高效益的多功能性外，生物激励、遗传衍生战略的一个更大影响是，许多明显的、以前无法实现的技术优势得以实现。首先，在铸态块体合金中，枝晶是常见的，但通常不受欢迎，因为随之而来的各种铸造缺陷(例如,成分偏析)，并且在下游塑性加工过程中经常发生灾难性的开裂。因此，在常规加工中，这些发达的枝晶需要通过成本高昂且耗时较长的高温均匀化退火(以及其他复杂的治疗方法)来完全消除。然而，我们反直觉地利用枝晶，在不牺牲其他关键属性的前提下，极大地降低了在能源、时间和基础设施要求方面的制造成本。其次，发达的树枝晶作为天然的结构前驱体，为跨越多个长度尺度的结构层次设计提供了原位仿生途径。因此，通过凝固或增材制造更高级的树枝状前驱体，可以获得更高级的分级结构。此外，我们所采用的加工技术与当前的工业实践是兼容的，因此我们所展示的策略应该可以很容易地扩展到其他合金体系，因为枝晶普遍存在于各种铸态金属材料中。

在此，上海大学、香港城市大学、德国马普所、中国科学院金属研究所、南京理工大学、新加坡南洋理工大学等国内外知名高校，研究了生物启发，遗传衍生的分级块状多功能铜合金。通过利用HFL结构使能的复杂内应力条件，激活了许多以前无法实现的变形和强化机制。它们在多倍长度的尺度上执行和相互作用，从强烈的多样化位错捕获、大规模堆垛层错增殖、9R相辅助的纳米孪晶、自缓冲剪切带到不断强化的异质形变诱导硬化。这些场景甚至创造了远超传统均匀结构的卓越的、应变率容忍的动态特性。枝晶在金属材料中普遍存在，但通常是不受欢迎的，而我们的"生物启发，遗传衍生"策略反直觉地利用了它们，实现了前所未有的高优值多功能性。相关研究成果以题“Bioinspired, heredity-derived hierarchical bulk multifunctional copper alloys”发表在金属顶刊Article In Press上。

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

图1 受生物启发，遗传衍生的HFL结构。铸态CuCrZr样品的a，b，OM和SEM图像。插图显示了Cr偏析的直接作用和间接作用映射。c，作为参考材料的UFG ECAP样品的EBSD逆极图( IPF )图像。内插图显示了相应的情况HAADF - STEM图像，白色箭头标记致密的沿晶析出物。d-l，设计HFL样本。d-h，SEM，EBSD IPF，EBSD IPF，TEM和HAADFSTEM以及EDS映射图像。f，EBSD IPF图像识别广泛的LAGBs。LAGBs和HAGBs分别用绿线和红线标记。i，HAGBs (上层)和HAGBs + LAGBs (下层)的粒度分布。J，纳米析出相的ADF - STEM图像。k，Cr和Cu + Cr元素的STEM - EELS 映射。l，双峰析出相的Atomic - resolution STEM图像和STEM - EELS 映射。( a、d、g)中的箭头表示纵向方向。所有的LM和TM分别指纵向和横向微结构。

图2 多模态纳米析出相和界面元素偏析。a，近原子尺度的APT重建图显示铜基体中的多模态富Cr析出相和Zr元素在晶界处的分布。b，( a )中Cr浓度随90次旋转的二维等高线颜色轮廓。扩大的原子图显示富Cr沉淀( c )和Zr偏析修饰的晶界( e )。富Cr沉淀相( d )和穿过晶界的圆柱体( g )的一维成分轮廓。GB是指晶界。f，Zr浓度的二维等高线颜色轮廓( e )。h，Zr，Cr和Cu在晶界处的原子图。i，原子级HAADF - STEM图像和原子级分辨率STEM - EELS图像。

图3  加工路线示意图和由此遗传衍生的多尺度HFL微观结构分别为( a和b) . a中，2个镶嵌体I和III分别表现为连续挤压和旋转锻造。插图II说明了我们刻意探索铸态发达树枝状结构的多尺度微结构遗传的设计理念，而不是像往常那样完全打破它们。多尺度遗传是由沿棒长轴的分级铸态组织的渐进热塑性变形、伸长和排列，以及沿短轴的同步调整和细化来辅助实现的。结合定制的退火参数，成功实现了生物启发的遗传衍生HFL结构，其长度尺度在b中跨越5 ~ 6个数量级。

图4 优异的机械性能和独特的变形行为。a，UFG和HFL样品的拉伸曲线。图中插图为拉伸变形的原位DIC观察和UFG试样宏观断裂韧性的共聚焦激光OM观察；b，两个试样对应的应变硬化曲线和HFL试样位错密度的演变；c，HFL试样的屈服强度与均匀延伸率相对于先前报道的Cu Cr Zr材料(与我们的材料具有相同或几乎相同的成分)；d，屈服强度和均匀延伸率与电导率相对于先前报道的Cu Cr Zr材料(与我们的材料具有相同或几乎相同的成分)为保证这些数据的合理性和准确性，根据这些文献，c和d中不包括少量由小尺度拉伸试样测得的高估性质。e，UFG和HFL样本的多个属性值或趋势。耐磨性用磨损失重的倒数来表示。热稳定性是指550℃退火3 h后的硬度与退火前硬度的比值。f，HDI应力和有效应力的关联演化。g，HFL样品的超高速和准静态拉伸曲线。插图显示了UFG和HFL的冲击能量Cu Cr Zr样品. h，HFL样品拉伸变形的多尺度耦合原位DIC观测. i，彩色OM和SEM图像显示致密、稳定的SBs .右图中的插图为共聚焦激光扫描显微图像，进一步显示并确认了流行的SB。

图5 多尺度动态变形相互作用和硬化机制。a，b，两幅STEM图像。c，相应的示意图揭示了( b )中位错和纳米析出物以及( d )中位错和析出物或位错之间的强烈相互作用。d，低角度ADF ( LAADF ) -STEM图像及其镶嵌显示广泛的位错缠结和增殖。e，TEM图像。f，STEM图像和STEM镶嵌显示致密的GND堆积。g，高分辨率TEM图像以及快速傅里叶变换( FFT )和原子分辨率TEM镶嵌显示致密的SFs和SF介导的Lomer-Cottrell锁。h，TKD-EBSD IPF和相应的KAM图像。i，TKD-EBSD IPF图像显示SBs。j，TEM图像和选区电子衍射( SAED )图案显示孪晶和9R相。k，连续和畸变9R相的原子尺度TEM图像。L，9R介导孪生的原子示意图、HAADF - STEM图像和STEM - EELS mapping揭示了富Cr析出相可以显著钉扎晶界移动，提高材料的热稳定性。GBs是指晶界。N，UFG和HFL样品在250℃、350℃和550℃退火温度下洛氏硬度随退火时间的演变( 15h)。O，共聚焦激光扫描显微镜观察UFG和HFL试样的3D摩擦磨损形貌。在较低的磨损宽度和深度方面，我们的HFL材料显示出明显优于对比材料的耐磨性能Ecap Ufg对应。

总之，本文成功地构思并展示了一种有效的生物启发、遗传衍生的工程策略，阐明了潜在的过程-结构-多功能关系，实现了从仿生多尺度设计到高品质块体多功能性的理想但具有挑战性的范式。HFL材料的多功能特性和属性是前所未有的，并且具有重大的商业和技术重要性，使我们的HFL材料在铁路接触导线和网络、新能源电动汽车、电气/微电子连接器、集成电路引线框架、电阻焊电极和聚变反应堆中的热交换器等方面具有广阔的应用前景。与当前高效和高性价比的工业实践相适应，我们的生物启发、遗传衍生策略将在其他合金体系中找到更重要的应用，从而在高性能、下一代结构和功能一体化块体材料的设计中实现概念转变。