纳米晶材料稳定性重要发现

来源：材料科学与工程

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。

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。