導(dǎo)讀：納米晶粒材料固有的不穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用，傳統(tǒng)方法是添加合金來穩(wěn)定，但這使得材料的成本不斷攀升，性能提升幅度趨緩。盧柯院士團(tuán)隊(duì)近年來致力于晶界調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料素化，材料素化旨在通過跨尺度材料組織結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料性能提升，替代合金化，減少合金元素的使用。

但納米金屬材料熱穩(wěn)定性差，給材料素化帶來困難。盧柯院士團(tuán)隊(duì)之前發(fā)現(xiàn)晶界弛豫可有效地穩(wěn)定納米晶粒的純金屬，這為提高納米晶機(jī)械穩(wěn)定性提供了新的方法，使得材料素化成為可能。4月24日，盧柯院士團(tuán)隊(duì)再次在頂刊發(fā)文，發(fā)現(xiàn)快速加熱可能會(huì)觸發(fā)尺寸高達(dá)亞微米的純銅納米晶粒強(qiáng)烈的晶界弛豫，為穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)材料提供一種新方法。

熱穩(wěn)定性差是超細(xì)晶粒和納米結(jié)構(gòu)的晶體材料中的關(guān)鍵問題，也是阻礙其應(yīng)用的原因之一，是目前的研究熱點(diǎn)。近期以色列理工學(xué)院和德國卡爾斯魯厄技術(shù)學(xué)院發(fā)現(xiàn)通過高壓扭力處理的銅超細(xì)顆粒表面層具有極高的熱穩(wěn)定性，相關(guān)論文發(fā)表在Scripta Materialia。研究發(fā)現(xiàn)在劇烈變形的金屬中從大氣中捕獲N2分子的現(xiàn)象，這在先前的研究中被忽略了。因此，設(shè)計(jì)填充有不同氣體的納米孔可以用作改善超細(xì)晶粒和納米結(jié)構(gòu)的金屬材料的熱穩(wěn)定性的工具。（新發(fā)現(xiàn)！充氣孔可以改善超細(xì)晶粒組織的穩(wěn)定性）

早在2017年，《Scicence》在線發(fā)表了盧柯院士作為通訊作者的一篇論文，研究發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)合金元素的晶界偏聚可以提高晶界穩(wěn)定性，從而可以大幅度調(diào)控納米金屬的強(qiáng)度。這一發(fā)現(xiàn)揭示了納米材料中軟化和硬化行為本質(zhì)，澄清了過去三十多年來關(guān)于這一問題的爭論（《Science》盧柯院士發(fā)現(xiàn)晶界穩(wěn)定性可調(diào)控納米金屬性能，澄清三十多年?duì)幷摚。?/span>

然而，合金化使得材料的成本不斷攀升，性能提升幅度趨緩，回收利用更加困難。材料可持續(xù)發(fā)展越來越受到重視。2019年應(yīng)《Science》邀請(qǐng)，盧柯院士和李秀艷研究員撰寫了關(guān)于晶界調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料素化的展望性論文，材料素化旨在通過跨尺度材料組織結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料性能提升，替代合金化，減少合金元素的使用，促進(jìn)材料回收和再利用。盡管這一概念原理上可行，但納米結(jié)構(gòu)的本征不穩(wěn)定性導(dǎo)致納米金屬材料熱穩(wěn)定性差，給材料素化帶來困難。（盧柯&李秀艷《Science》！晶界調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料素化）

在2019年3月，盧柯院士等人關(guān)于晶界弛豫的成果發(fā)表在Physical Review Letters，發(fā)現(xiàn)晶界弛豫可有效地穩(wěn)定納米晶粒的純金屬，該發(fā)現(xiàn)說明與晶界偏聚效應(yīng)類似，晶粒尺寸相關(guān)的晶界馳豫效應(yīng)能明顯對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)晶界遷移起到抑制作用，這為提高納米晶機(jī)械穩(wěn)定性提供了新的方法，同時(shí)也為發(fā)展納米晶制備工藝提供了重要參考，使得材料素化成為可能。（頂刊：盧柯等人納米金屬方面又一顛覆性發(fā)現(xiàn)！）

材料素化越來越引起關(guān)注。最近，清華大學(xué)陳浩等人利用一種尚未深入研究的平面缺陷，即化學(xué)界面，獲得了由納米板條馬氏體和納米孿晶奧氏體組成的新型分層異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)，制備的低碳中錳鋼抗拉強(qiáng)度超過2.0 GPa，并具有高延展性（>20％），同時(shí)不需要添加高含碳量或加入昂貴的合金元素。相關(guān)論文發(fā)表在Science Advances，開辟了替代晶界工程的新方法。 （重要突破！清華大學(xué)利用新方法獲得2GPa的低成本超高強(qiáng)鋼！）

2020年4月24日，李秀艷和盧柯等人以題“Rapid heating induced ultrahigh stability of nanograined copper”在Science Advances發(fā)文，研究發(fā)現(xiàn)快速加熱可能會(huì)觸發(fā)尺寸高達(dá)亞微米的純銅納米晶粒強(qiáng)烈的晶界弛豫，純銅納米晶粒在金屬中具有明顯的不穩(wěn)定性。快速加熱的銅納米晶粒在高達(dá)0.6倍熔點(diǎn)的溫度下仍保持穩(wěn)定，這甚至高于變形粗晶銅的再結(jié)晶溫度。由高密度納米孿晶的產(chǎn)生而引起的熱誘導(dǎo)晶界弛豫為將穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)材料提供一種新方法。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz8003

研究人員通過在液氮中使用表面機(jī)械研磨處理（SMGT），在純度為99.97％的粗晶無氧銅棒樣品上制備了梯度納米晶表面層。在最表層發(fā)現(xiàn)了平均橫向尺寸約為40 nm，縱橫比為1.7的隨機(jī)取向晶粒。橫向晶粒尺寸隨著深度的增加而逐漸增加，在18μm深度時(shí)約為60 nm，在150μm深度時(shí)約為200 nm。在納米晶組織中發(fā)現(xiàn)弱的{111}〈110〉織構(gòu)。在納米晶表層下方可以觀察到變形的粗晶結(jié)構(gòu)。然后將準(zhǔn)備好的梯度納米晶樣品以不同的速率加熱至預(yù)設(shè)溫度523 K（這是粗晶Cu中退火孿晶的形成溫度），并立即冷卻至環(huán)境溫度。在差示掃描量熱儀上精確控制的四個(gè)加熱速率（分別為1、80、160和240 K / min）用于確定加熱速率對(duì)納米晶粒粗化動(dòng)力學(xué)的影響。

研究結(jié)果表明，熱晶界弛豫后的納米晶表現(xiàn)出異常高的熱穩(wěn)定性，起始粗化溫度約為0.6 Tm（Tm為熔點(diǎn)）。它不僅比機(jī)械晶界弛豫后的Cu納米晶粒高（約0.45 Tm），而且比變形的粗晶粒Cu的常規(guī)再結(jié)晶溫度（0.4 Tm）高約280K。這意味著在納米晶粒的熱弛豫晶界中獲得了比變形粗晶粒銅的傳統(tǒng)晶界更高的穩(wěn)定狀態(tài)。晶界的顯著穩(wěn)定性差異可以從快速加熱的納米顆粒中更高的孿生密度推斷解釋，其晶界被更加強(qiáng)烈地松弛。研究熱松弛晶界的本質(zhì)及其在高溫下的性能具有重要意義。

圖1 快速加熱對(duì)納米晶銅的穩(wěn)定

圖2 納米晶快速加熱后形成大量的納米孿晶和多面晶界

圖3 納米晶快速熱處理前后的熱穩(wěn)定性對(duì)比

圖4 熱誘導(dǎo)晶界弛豫的納米晶銅的超高熱穩(wěn)定性

熱誘導(dǎo)的晶界弛豫源自快速加熱過程中納米晶界孿晶的產(chǎn)生。原則上，這種新穎的穩(wěn)定化策略將同樣適用于具有低層錯(cuò)能的其他納米結(jié)構(gòu)材料，包括工程合金，例如奧氏體不銹鋼和鎳基高溫合金。因此，對(duì)于這對(duì)于推進(jìn)納米結(jié)構(gòu)材料的高溫應(yīng)用具有重要意義。但是退火孿晶很難在具有高層錯(cuò)能的材料（例如Al和Ni）中形成，因而穩(wěn)定這類納米結(jié)構(gòu)材料的原理和技術(shù)需要進(jìn)一步研究。