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李秀艷&盧柯Sci. Adv.：納米晶金屬熱穩定性新發現

2020-04-25 來源：Goal Science

        納米金屬的制備一般需要強烈的塑性變形，變形引入的大量晶界使得納米金屬的熱穩定性和機械穩定性極差，甚至在室溫下就可能發生晶界遷移，嚴重限制了納米金屬的應用。降低晶界能量是穩定納米晶的主要手段，傳統方法是加入合金元素來實現。然而，合金化加重了人們對自然資源的依賴，盧柯院士團隊在2017年提出了材料素化的概念之后，一直致力于實現在純金屬中穩定納米晶[1]。2018年，盧柯院士團隊發現在變形過程中，晶界通過釋放層錯或者孿晶降低界面能量，激活晶界弛豫（grain boundary relaxation），進而穩定納米晶粒[2,3,4]。然而，機械誘導晶界弛豫（mechanically induced GB relaxation, M-GBR）只適用于幾十納米的晶粒，無法應用于一般塑性變形制備的納米晶純金屬（晶粒尺寸大多在100-200nm）。
 

        近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室盧柯院士和李秀麗研究員提出在加熱過程中引入退火孿晶，利用晶界的“熱弛豫”（thermally induced GB relaxation, T-GBR）來提高納米晶的熱穩定性，相關成果以“Rapid heating induced ultrahigh stability of?nanograined copper”為題發表在期刊Science Advances。本研究面臨的一個難題是：納米晶銅的粗化溫度（393-450 K）低于退火孿晶的形成溫度（473-523 K），如何在納米晶銅中引入退火孿晶是本研究的關鍵。考慮到晶界遷移是熱激活過程，和加熱速度直接相關。研究人員巧妙地設計實驗，通過提高加熱速度提高粗化溫度，成功實現了在納米晶銅中引入退火孿晶。相比于機械誘導晶界弛豫，晶界的“熱弛豫”將晶粒的穩定尺寸從40-60nm提高到了60-160nm，有望用于提高一般劇烈塑性變形所獲得的亞微米和納米晶的熱穩定性。

圖1 不同加熱速度對納米晶銅晶粒尺寸的影響

圖2 快速升溫處理后納米晶中形成了大量的退火孿晶

 

圖3 快速升溫對納米晶熱穩定性的影響（T-GBR：晶界“熱弛豫”; TGC：晶粒粗化溫度）

 

圖4 不同機制對納米晶銅熱穩定性的影響（T-GBR：晶界“熱弛豫”；M-GBR：機械誘導晶界弛豫；SMGT：Surface Mechanical Grinding Treatment，表面機械研磨處理）

 

        本研究利用快速升溫處理，在納米晶銅中引入大量退火孿晶，有效地降低了晶界的能量，提高了納米晶的熱穩定性。看似簡單的實驗設計背后，蘊藏著科研人員數年如一日的堅守和沉淀。


 

參考文獻：

[1] Li X, Lu K. Playing with defects in metals. Nature materials 16, 700 (2017).

[2] X.?Li, K.?Lu, Improving sustainability with?simpler alloys. Science 364, 733–734 (2019).

[3] X.?Zhou, X.?Y.?Li, K.?Lu, Enhanced thermal stability of?nanograined metals below a?critical grain size. Science 360, 526–530 (2018).

[4] X.?Zhou, X.?Y.?Li, K.?Lu, Size dependence of?grain boundary migration in?metals under mechanical loading. Phys. Rev. Lett. 122, 126101 (2019).

 

 

原文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz8003