納米晶材料，由于晶粒的尺寸大大減小（小于100 nm），其室溫下的力學強度大大提高（依據Hall-Petch公式）。然而，伴隨著晶粒尺寸變小，抗蠕變性能卻有所下降，應力條件下引起蠕變變形的臨界溫度也會大大降低。納米材料抗蠕變性能的退化，可以解釋為晶粒減小帶來的晶胞邊界增多，導致納米金屬材料的微觀不穩定性，晶粒間更容易發生擴散蠕變，滑動和旋轉。這一點限制了納米晶體材料的應用范圍，尤其是在高溫領域中的應用。

    近日，美國陸軍研究實驗室的K. A. Darling和亞利桑那州立大學K. N. Solanki等人在Nature上報道了一種新型銅鉭合金（Cu-10 at% Ta），這種納米晶合金材料既能保持高機械強度，又滿足高溫抗蠕變性能，同時具有熱穩定性。（Extreme creep resistance in a microstructurally stable nanocrystalline alloy. Nature, 2016, 537, 378-381, DOI: 10.1038/nature19313）

    先來看看作者的材料制備過程，簡單整理如下：

    1）將制備的銅鉭納米晶粉末（Cu–10 at% Ta）在高能球磨機中低溫研磨4小時，球料比5:1，液氮控溫-196 °C。

    2）通過等通道轉角擠壓法（equal-channel angular extrusion，ECAE）將粉末壓成合金塊，模具350 °C預熱，粉末700 °C預熱（Ar氣環境40 min）。制備得到的合金中銅晶粒的平均尺寸為50 ± 17.5 nm，鉭晶粒尺寸分布在3.18 ± 0.86 nm到32 ± 7.5 nm之間。

    上述步驟需要在手套箱中進行。

    稍微解釋一下“等通道轉角擠壓法”，該方法上世紀80年代由前蘇聯的Segal等人提出，90年代因為被Valiev等人用于亞微米級晶粒尺寸的鋁合金制備而引起關注。過程如下圖所示，由于加工過程中不改變材料的橫截面面積和截面形狀，故只需較低的工作壓力，就可實現材料的反復定向、均勻剪切變形，制備亞微米級和納米級晶粒的合金材料。

    再來看看該材料的抗蠕變性能。在0.5-0.64 Tm（melting temperature）溫度下，施加0.85%-1.2%的剪切模量，Cu-Ta納米合金表現出低于10-6s-1的穩定蠕變速率，該速率比大部分納米晶金屬要低6-8個數量級。同時，通過對納米銅和納米銅鉭合金的計算，也驗證了這一結論。

    總結：

    本文探索了納米合金微觀結構的抗蠕變性能，設計出同時具備高機械強度和高溫抗蠕變的納米晶合金材料，有望為納米材料拓展新的應用領域，尤其是在航空航天、軍事和能源部門等方向。

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責任編輯：王元

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