极细多晶体铜中发明一种新型亚稳定态—受限晶体构造

中国科学院金属研讨所沈阳资料科学国度研讨中心纳米金属科学家工作室李秀艳研讨员、卢柯院士、周鑫特殊研讨助理与上海交通大学金朝晖教授合作,应用大批精致试验并联合模仿盘算发明,当晶粒尺寸下降到几纳米时,纯金属铜多晶领会形成一种新型亚稳构造——受限晶体(Schwarz crystal)构造,11月13日出版的美国《科学》(Science)周刊报道了相干研讨结果。

研讨发明,这种具有极小界面(minimal interface)的三维构造表示出极高的热稳固性和力学稳固性,在纯铜的熔点以下不产生晶粒长大,其强度接近理论强度。这一主要发明表明除非晶固态外,多晶体金属在晶粒极细时还存在另外一种亚牢固体状况,其稳固性甚至远高于非晶固体。


研讨者应用两步低温塑性变形技巧,胜利地将纯铜薄片的晶粒尺寸下降到10 nm以下。显微构造察看发明,这种极细的多晶体中浮现出典范的相似水油不互溶双持续相中常见的流形构造,经体系表征纳米晶粒的尺寸、形态、取向及散布等,许多极小晶粒具有规矩的Kelvin截角八面体形态,并且存在相当数量的低能界面(如孪晶界和重位点阵界面),联合这些构造特点和分子动力学模仿盘算,发明这种极细晶粒之间的界面具有一种极小界面构造特点,这种被称为Schwarz-D界面的平均曲率为零,构造稳固性很强。同时,极细晶粒中大批低能孪晶界又进一步束缚了这种极小界面,使其稳固性更高。因此,这种具有受限极小界面构造的多晶体(简称为“受限晶体”)能够表示出极高的热稳固性和力学稳固性。

受限晶体构造的发明为摸索固态物资构造基础特点及其新性能开拓了一个全新空间,也为研发高稳固性金属资料及制作工艺供给了新的机会与挑衅。


金属通常以多晶体情势存在,即许多金属原子按必定规矩整齐排列在一起形成一个有序区域,称为晶粒,晶粒与晶粒之间由几个原子层厚的界面相衔接,在三维空间中构成了宏观金属固体。由于晶粒之间存在晶体学取向差,晶界中原子的排列往往混乱无序,这种无序晶界的存在使多晶体的稳固性远低于完全晶体(单晶体)。例如,当把多晶体金属加热到不足熔点一半时,晶界便开端失稳迁移导致晶粒长大,资料性能变更(如软化)。在受力时晶界也会产生迁移使多晶体构造失稳。

晶粒尺寸越小晶界上原子比越多,多晶体的稳固性就越降落,当晶粒尺寸降为纳米标准时,有些金属在室温下便会呈现晶粒长大。对于某些金属合金,当晶粒尺寸减小到足够小时(通常为几纳米),全部多晶体构造失稳,形成一种亚稳的非晶态固体(或称为玻璃态)。非晶固体在受热或力的作用下会进一步向更稳固的晶体改变。通常以为,完全单晶体和亚稳非晶固态是金属固体的两个极端状况,多晶体构造是一种介于这两者之间的不稳固构造。然而,非晶固态只有在有限的合金成分范畴内才干形成,对于绝大多数合金和纯金属,无论晶粒多么渺小也无法形成非晶固态。所以,资料科学和凝集态物理范畴长期以来存在一个主要的基本性问题:在多晶体晶粒尺寸不断减小接近某极限值(如原子尺寸)前是否存还在别的亚稳态构造。

全文链接:https://science.sciencemag.org/content/370/6518/831