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重要突破!《Nature》晶界相变,开辟材料设计新道路!

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众所周知,绝大多数的固体金属及其合金是由数十亿个晶粒组成,它们被晶界隔开。晶界会导致材料变脆容易产生破裂,但是某些晶界能够阻碍位错运动进而增强材料性能。随着现代研究的深入进行,研究者们发现晶界只有零点几纳米厚并具有独特的结构,与相邻的晶粒结构有很大区别。已有研究指出对于二元以上合金,晶界的结构会发生与晶粒相变无关的相变。这种晶界相变在纯金属中是否存在一直处于未知状态,仍没有研究直接观察到纯金属中晶界的相变。

来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和德国马普所的研究人员,研究了在超净条件下沉积在蓝宝石衬底上的铜薄膜中的晶界直接观察到纯铜中的晶界相变,并发现了相似晶界中共存的两种不同结构,为材料设计开辟了新的道路,有利于进一步研究晶界相变对异常晶粒长大及液态金属脆化等现象。相关论文于以题“Observations of grain-boundary phase transformations in an elemental metal”发表在最新一期Nature杂志上。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2082-6

重要突破!《Nature》晶界相变,开辟材料设计新道路!

研究人员使用的铜薄膜是在超净条件下沉积制备的,能够排除杂质的任何潜在影响。通过扫描透射电子显微镜直接成像了薄膜样品中原子列的位置。通过图像切实的观察到了晶界中的两个共存相,并命名为多米诺相和珍珠相(Dominos and pearls)。

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图1 铜薄膜的EBSD表征

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图2 多米诺相和珍珠相(标尺为1nm)

然而,仅此观察并不能完全证明晶界的相变,因为两相中的一相可能处于高度不稳定的状态,该状态可能在铜膜沉积过程中形成,并在冷却时保留在固态膜中。因此,研究人员使用进化算法在晶界原子的计算机模拟中获得了进一步证明,模拟的晶界与实验观察到的晶界具有相同的几何形状。模拟结果表明,珍珠相对应于晶界的最低能态,而多米诺相则处于亚稳态;当垂直于晶界施加应力时,亚稳态的多米诺相更稳定。

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图3 晶界相结构的预测

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图4 有限温度的晶界相变模拟

本研究清楚地证明了在纯金属晶界中会发生相变,从而为材料设计开辟了新的道路。块状金属呈现的变体通常是有限的,但晶界结构及其可能的亚稳态变体的种类基本上是无限的。因此,可以设想一种加工技术,它通过产生不同晶界相(稳态或亚稳态)来优化材料的整体性能,从而最大限度地发挥晶界的积极作用,同时将其负面影响降至最低

例如,在铝中控制晶界多型相,从而有效地阻止位错滑移(机械强度最大化)并最小化电子散射(电阻率最小化),则所得金属将成为“理想材料”,取代更昂贵的铝基复合线。但是,真正在工程中实践还需进一步研究,一方面不清楚如何设计产生所需晶界相的加工方法;另一方面,大量可能的晶界相将使得系统地确定多晶型相的性能变得困难。综上所述,本研究是一种新的发现,使用高分辨率显微技术和计算方法协同结合在晶界研究中作出了概念性突破。(文:破风)

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