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李秀艳&卢柯院士再发《Science》!纳米晶材料稳定性重要发现

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编辑推荐:热稳定性差是超细晶粒和纳米结构的晶体材料中的关键问题。金属所李秀艳&卢柯院士等人在这方面取得了大量进展,我们也曾系统梳理过点此查看。今天最新Science再次发表其在这方面的研究成果,在极细多晶体铜中发现了一种新型亚稳固态!

 

金属通常以多晶固体的形式存在,由于无序晶界的存在,多晶固体在热力学上是不稳定的。当加热时,晶界倾向于通过粗化而消除;当晶粒足够小时,晶界倾向于通过向亚稳非晶态转变而消除。

近日,来自中国科学院金属研究所的李秀艳、卢柯等研究者,通过实验和分子动力学模拟,发现了极细晶多晶纯铜的一种全新亚稳态结构。相关论文以题为“Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains”于今天(11月13日)发表在顶级期刊Science上。

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/831

 

单晶体的原子在整个样品中以有序的晶格排列;非晶固体或玻璃,原子排列无序,只有中短程有序。金属通常以多晶固体的形式存在,介于这两种极端之间。它们是由更小的晶体(称为颗粒)组成,这些晶体被各种各样的原子排列无序的边界隔开。无序晶界(GB)是导致多晶金属热力学不稳定的原因。

当GBs被消除时,多晶材料趋向于变得更加稳定,直到它们最终成为单晶。这一过程的典型例子是,多晶中的晶粒如何通过GB迁移而变粗,这通常发生在低于熔点一半的温度下。粗化温度随晶粒尺寸的减小而降低,某些纳米晶粒金属的粗化温度甚至下降到室温。对于具有足够高GB密度的细晶多晶,转变为亚稳非晶态是稳定的另一种选择。这种状态是从热力学的观点来预测的,并且在许多金属合金中观察到非晶化,(如Ni-P和Ni-W)。然而,在热力学和动力学约束下,非晶态具有组分选择性,在常规条件下大多数金属合金和纯金属很少形成。需要回答的一个基本问题是,当多晶晶粒被稳定地细化到极小尺度时,是否可以采用其他亚稳结构?

在此,研究者最近发现,当纯Cu和Ni晶粒通过塑性变形细化到几十纳米尺寸时,会触发GB自发弛豫进入低能态。相应的GB能量相应降低,这导致纳米晶粒的热稳定性和机械稳定性大幅提高,而不是在更小尺寸发生粗化。这一观察结果表明,纳米颗粒结构可能通过接近粒度极限而演化成更稳定的状态。

至此,研究者通过实验和分子动力学(MD)模拟,发现了晶粒尺寸为几纳米的多晶纯铜中的亚稳态。在孪晶界约束下,GBs演化为三维(3D)最小界面结构,形成了这种状态。在这种多晶体中,晶粒粗化被有效地抑制,甚至接近熔点。其强度也与Cu的理论值接近。

 

图1 制备的铜样品具有极细晶粒的微观组织。

 

图2 具有集群八面体几何形状的单个颗粒的高分辨率TEM图像。

 

图3 极高的热稳定性和强度。

 

图4 Schwarz晶体的原子模型和MD模拟。

基于实验和理论模拟表明,在纳米晶粒的多晶铜中,如果采用由CTB网络约束的最小界面结构,可以实现显著的稳定性。这种结构,称之为Schwarz晶体,是多晶固体的另一种亚稳态。这种状态与非晶固体状态有根本的不同。由于孪晶在热诱导或变形诱导时形成亚稳结构,且对松弛GB结构有效,因此在纳米级孪晶机制的激活下,可以预期在不同金属和合金中出现Schwarz晶体。纯铜Schwarz晶体具有非常高的界面密度,其热稳定性与单晶相当,远高于非晶态固体。

因此,这种结构为探索金属的物理和化学现象提供了新的机会,特别是在高温下,原子和电子在界面和各种缺陷相互作用中的输运动力学。作为一个基准结构,能够抑制在热波动和外力下的晶粒粗化,Schwarz晶体允许提高稳定性和强度,与细化晶粒到极细尺度。这克服了传统材料开发策略中存在的一些困难。原则上,Schwarz晶体应可在其他材料中获得,并可能为开发用于高温应用的强而稳定的材料提供不同的方向。(文:水生)

 

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