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  2. Nature和Science同天發(fā)文,材料領(lǐng)域又有重大突破?
    2020-02-20 16:42:17 作者:本網(wǎng)整理 來源:材料十 分享至:

    2020年2月14日,德國弗萊堡大學的材料研究中心的 Lars Pastewka團隊在國際頂級期刊《Science Advances》發(fā)表名為“The emergence of small-scale self-affine surface roughness fromdeformation”的文章,探究了不同尺寸材料表面的粗糙度基本相同的原因及機理。


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    研究預(yù)覽:大多數(shù)天然和人造的材料表面都非常粗糙。關(guān)于粗糙的起源或自仿射性質(zhì)的表面形貌,目前還沒有統(tǒng)一的理論。造成粗糙度的一個可能因素是變形,變形是許多表面加工的基礎(chǔ),如斷裂和磨損。利用分子動力學方法,對單晶金、高熵合金Ni36.67Co30Fe16.67Ti16.67和非晶Cu50Zr50的雙軸壓縮進行了模擬,結(jié)果表明均勻材料的均勻表面具有自仿射結(jié)構(gòu)。通過表征基底變形,將表面的自親和力與內(nèi)部的空間相關(guān)性聯(lián)系起來,給出了粗糙度隨應(yīng)變變化的尺度關(guān)系。這些結(jié)果為解釋和工程粗糙度剖面開辟了道路。


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    隨后《Nature》在其官網(wǎng)發(fā)表題為“Why surface roughness is similar at different scales”評論文章,就其研究方法、原理和結(jié)果發(fā)表見解。


    文章介紹說幾乎所有固體表面都是粗糙的。這種粗糙度的范圍非常的廣泛,大到千米高的山脈、小到原子級的碰撞。無論表面如何處理,都會出現(xiàn)粗糙度。關(guān)于這種粗糙度的產(chǎn)生原因,人們知之甚少,這意味著在不同的長度尺度,粗糙程度看起來都很相似。Hinkle 等人在《Science Advances》表明自仿射粗糙度是在原子水平上產(chǎn)生的。


    正如曾經(jīng)在濕地板上滑過的任何人都會注意到的一樣,在實際情況下,表面的粗糙度起著至關(guān)重要的作用。光滑的表面在潮濕時會很滑。相比之下,我們在上漆之前先打磨表面以使其更粗糙,從而增加漆的附著力。在其他情況下,粗糙度的影響并不那么直接。例如,滑雪板和滑雪板表面的粗糙度會根據(jù)溫度和濕度不同而對它們在雪地上的摩擦產(chǎn)生不同的影響。因此,工程師們開發(fā)了許多技術(shù)來控制表面粗糙度,如磨削、拋光等。


    通過對三種材料進行計算模擬:一種完美的金晶體、一種合金和一種金屬玻璃。這些材料的數(shù)量和無序類型都不同,這意味著粗糙可能會通過不同的機制發(fā)展或有不同的特點。因為材料的變形很可能導致粗糙度的形成,研究人員模擬壓縮這些材料的塊平面超過了它們的彈性極限,即在力的作用下導致不可逆(塑性)變形。由于研究人員所尋找的效應(yīng)的長度尺度跨越了幾個數(shù)量級,模擬必須相當大,包含數(shù)千萬個原子。這樣的模擬在計算上非常昂貴。


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    對包括金在內(nèi)的三種材料的光滑塊中的數(shù)千萬原子進行了分子動力學模擬,觀察了被壓縮時表面粗糙度的變化。顏色表示垂直于表面的原子位置,相對于表面的平均高度測量:紅色表示地勢高;藍色代表地勢低。其最大的特點是在表面最低點之上的8.8nm處。該團隊發(fā)現(xiàn),在近兩個數(shù)量級的長度尺度上,粗糙度的出現(xiàn)是相似的。類似的三角形特征和地形變化在a(直徑80 nm的區(qū)域)和b (a區(qū)域擴大到原來大小的四倍)可以看到。


    Hinkle和他的同事研究了模擬中所產(chǎn)生的粗糙度是如何隨著被觀察區(qū)域的大小增加而變化的。他們觀察到,這三種材料的粗糙輪廓似乎遵循一個冪律——也就是說,它們確實表現(xiàn)出近兩個數(shù)量級的自仿射尺度。


    除了模擬數(shù)百萬個原子之外,該團隊還模擬了壓縮變形的連續(xù)模型,在該模型中,材料不被視為由單個原子組成,而是被視為連續(xù)介質(zhì)。在這些模擬中,沒有自仿射粗糙度的跡象。因此得出結(jié)論,仿射粗糙度的發(fā)展與連續(xù)介質(zhì)模型中缺失的塑性流動的原子尺度波動有關(guān)。


    Hinkle及其同事的結(jié)果是令人信服的,但需要在三個數(shù)量級上證明粗糙度的尺度變化行為,以確認其遵守冪定律。這將需要將原子模擬擴展到更大的規(guī)模,并提供了原子模擬和連續(xù)模擬之間的聯(lián)系。這些方法比Hinkle 等人使用的連續(xù)體模型更詳細地考慮了流程,并允許增加原子細節(jié)和波動。


    Hinkle及其同事研究的所有材料均基于金屬。經(jīng)歷塑性變形后,它們都是均勻(材料中只有一種固相)且無序,并且原子位移涉及的動力學和能級都是可比的。看看其他具有不同可塑性和變形機制的材料(如聚合物)在壓縮過程中是否也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象,這將是一件有趣的事情。如果粗糙度剖面可以擴展到包含一個或多個額外數(shù)量級,它將能夠?qū)Τ叨戎笖?shù)進行可靠的比較。這反過來又有助于確定這些指數(shù)是否隨應(yīng)變、變形機制甚至時間而變化。


    冪律行為在塑性變形中很常見。例如,金屬中的塑性變形“雪崩”,纖維材料中的冪律描述了材料在拉伸應(yīng)力作用下塑性變形時雪崩的大小分布。基于Hinkle等人模擬的粗糙表面塑性變形,并在大量的模擬材料中觀察無尺度粗糙度,自仿粗糙度和塑性變形的冪律行為事件似乎有一定的聯(lián)系。因此,通過研究在壓縮過程中粗糙度特征的形成,并將表面輪廓的變化與塑性聯(lián)系起來,以一種更動態(tài)的方式研究粗糙度的出現(xiàn)是很有趣的。


    研究總結(jié):無論是多大的尺度,大多數(shù)表面都是粗糙的。仿真結(jié)果證實,當金屬基材料的光滑塊被壓縮時,這種特性在原子水平上產(chǎn)生。


    文章鏈接:


    https://www.nature.com/articles/d41586-019-03952-zhttps://advances.sciencemag.org/content/6/7/eaax0847 

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