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金屬所：晶界弛豫效應，突破金屬純度-穩定性矛盾難題！

2022-05-24 16:46:05 作者：材料基來源：材料基分享至：

現代工業越來越需要高純金屬，以更好地控制設備的材料特性和功能（如濺射靶、生物植入材料、高導電性金屬等）。但高純金屬的加工和應用受到一個眾所周知的問題限制：金屬材料純度越高，越容易在熱和機械刺激下發生再結晶（或晶粒粗化）和塑性形變，表現出較差的熱穩定性和強度。晶粒細化通常能夠在不添加外來元素的前提下大幅提升金屬強度，但由于高密度晶界的引入，結構熱穩定性急劇降低。如何提高高純金屬的熱穩定性和強度一直是研究人員和工業應用想要解決的難題。

　　中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心納米金屬材料科學家工作室團隊一直致力于納米金屬材料的研究。2018年，研究團隊在塑性變形制備的納米晶純銅和純鎳中發現了納米晶熱穩定性的反常晶粒尺寸效應，即臨界尺寸以下納米晶在塑性變形過程中以不全位錯活動為主導，不全位錯與晶界的交互作用可以誘導發生晶界弛豫效應，晶界能量顯著降低，使得納米晶的穩定性隨晶粒尺寸減小不降反升（Science, 360, 2018）。隨后，該團隊研究發現純銅、鎳、銀等金屬納米晶在載荷作用下的機械穩定性也存在這種反常晶粒尺寸效應（Phys. Rev. Lett., 122, 2019）。

　　基于前期相關研究，近期，該團隊通過在高純金屬銅中引入晶界弛豫效應，使得高純銅同時表現出高熱穩定性和高強度，從而突破了金屬純度-穩定性倒置關系難題。相關研究成果以“Breaking the purity-stability dilemma in pure Cu with grain boundary relaxation”為題在《今日材料》（Materials Today）上發表。

　　在這項工作中，該團隊選擇了99 wt.%-99.9999 wt.%（2N-6N）五種不同純度的金屬銅，利用表面機械碾磨制備了晶粒尺寸及梯度分布情況都接近的銅棒樣品；并基于前期研究工作（純銅中變形誘導晶界弛豫臨界晶粒尺寸約為70 nm），在不同純度銅棒樣品中取平均晶粒尺寸約60 nm和100 nm的樣品進行比較研究。實驗發現100 nm晶粒隨樣品純度增加，其熱穩定性顯著降低，與傳統教科書上的理論一致（即雜質原子釘扎晶界，提高穩定性）；而60 nm晶粒隨樣品純度增加，其熱穩定性反常提升。通過實驗觀察結合分子動力力學模擬，該研究團隊發現由于晶界處雜質原子的存在，晶界在變形過程中發射孿晶或層錯變得更困難，從而阻礙了晶界結構弛豫過程；同時發現雜質原子的存在使得弛豫后的晶界能量相對于高純度樣品略微增加。因此，在純度較低的樣品中，晶界弛豫變得更加困難，弛豫效應降低，導致其熱穩定性低于弛豫態高純樣品。眾所周知，金屬材料存在本征的性能“倒置關系”困境：金屬純度越高，強度和熱穩定性越低；純金屬強度越高，熱穩定性越低。本工作中晶界弛豫態納米晶銅樣品純度越高，強度和熱穩定性同步提升。

　　該工作表明晶界弛豫可有效打破純銅中的純度-穩定性困境，因為它逆轉了一般情況下雜質對穩定性的影響。在弛豫態納米晶純銅樣品中觀察到的異常雜質對穩定性的影響拓展了對晶界內在性質及其與雜質的相互作用的理解。原則上，通過適當的熱或機械處理，可以在各種金屬中誘發晶界弛豫效應。此外，晶界弛豫顯著提高高純度金屬的熱穩定性和機械穩定性，極大地拓寬了優化高純度金屬性能和推進其加工技術的窗口。

　　以上工作由中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心納米金屬材料科學家工作室團隊和蘭州理工大學薛紅濤團隊合作完成。沈陽材料科學國家研究中心博士生傅皇留、周鑫副研究員為共同第一作者，盧柯院士、李秀艷研究員為通訊作者。

　　上述工作得到了國家重點研發計劃（2017YFA0204401，2017YFA0700700）、國家自然科學基金青年科學基金（52001315）等的支持。