Advanced Functional Materials:超材料设计方法让合金更高强更高导——基于散射消除的单层电子散射隐形斗篷

“隐身”一直是人们长久以来的梦想,也吸引着科学家们的高度关注。本世纪初涌现的超材料具有超强操控物理场的能力,使得完美隐身成为可能,隐身斗篷(Invisible Cloak)也不再是科幻小说、影视作品的概念性设想。随着Pendry教授和Alú教授分别提出基于变换光学方法和散射消除方法设计的完美隐形斗篷在电磁领域获得巨大成功,这种非均匀结构设计不仅极大丰富了电磁超材料的功能性,而且推动超材料设计方法由电磁场拓展到声波、弹性波等波动场以及热流、物质流等扩散场中。将“隐身”的概念由电磁场推广到其他物理场不仅促进了种类繁多的新颖功能,而且也为利用超材料设计方法改善传统材料性能提供了有力工具。

北京科技大学新材料技术研究院白洋课题组将超材料隐身斗篷的设计方法用于改善传统工程材料的电输运性能。氧化铝弥散强化铜合金(Cu-Al2O3)是目前常用的一种高强高导合金,广泛应用于核能设施、航天飞机、高温涡轮扇叶等尖端领域。该合金体系中,Al2O3纳米颗粒作为弥散强化相可以显著提升合金的机械强度,但同时也会与电子发生强烈散射导致电导率大幅降低,因此如何同时获得令人满意的高电导率与高机械强度一直是传统材料设计的巨大难题。

该研究首先建立了一个跨尺度物理模型来描述氧化铝弥散强化铜合金中电子散射对电导率的影响。通过拓展经典物理中的Drude模型揭示Cu-Al2O3合金电导率和自由电子、散射截面的物理关联,建立了跨越纳观、介观、宏观尺度的电子散射模型,即纳米尺度上受氧化铝颗粒局域电场影响的散射截面,介观尺度上受散射截面制约的电子运动行为,以及与介观电子散射平均弛豫时间显著相关的宏观尺度电导率。通过模拟与实验结果对照,证实该模型可以准确预测Cu-Al2O3的电导率,并得出弥散相电子散射对电导率存在巨大负面影响。为此,研究者基于散射消除方法设计了包覆Al2O3纳米颗粒的银隐身斗篷,可有效降低电子散射截面、减少自由电子碰撞提升合金的电导率,而且Al2O3颗粒虚拟绝缘层设计可以将传统的多层结构设计简化为单层银包覆,更便于实际应用。模拟结果表明,这种隐形斗篷可使散射截面降低49%,并将电导率提升62.7%。进一步,研究者制备了二维单层银隐身斗篷成功验证了其对散射电场的恢复作用,并结合当前Cu-Al2O3工业生产采用的粉末冶金工艺提出了一套切实可行的大规模生产制备方案。

该研究工作是将超材料设计理念和方法应用于提升传统工程材料性能的一次有益尝试,不仅拓展了超材料的应用领域,也为提升传统材料性能提供了新思路。同时,该研究利用隐身斗篷实现对物质散射行为的有效操控,还可以推广至声子、光子等粒子的散射行为调控中。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202003270)上