微米和纳米科技材料

卢柯院士再次发表顶尖论文:纳米晶材料稳定性又一重要发现!

导读:纳米晶粒材料固有的不稳定性限制了其应用,传统方法是添加合金来稳定,但这使得材料的成本不断攀升,性能提升幅度趋缓。卢柯院士团队近年来致力于晶界调控实现材料素化,材料素化旨在通过跨尺度材料组织结构调控实现材料性能提升,替代合金化,减少合金元素的使用。

但纳米金属材料热稳定性差,给材料素化带来困难。卢柯院士团队之前发现晶界弛豫可有效地稳定纳米晶粒的纯金属,这为提高纳米晶机械稳定性提供了新的方法,使得材料素化成为可能。4月24日,卢柯院士团队再次在顶刊发文,发现快速加热可能会触发尺寸高达亚微米的纯铜纳米晶粒强烈的晶界弛豫,为稳定纳米结构材料提供一种新方法。

热稳定性差是超细晶粒和纳米结构的晶体材料中的关键问题,也是阻碍其应用的原因之一,是目前的研究热点。近期以色列理工学院和德国卡尔斯鲁厄技术学院发现通过高压扭力处理的铜超细颗粒表面层具有极高的热稳定性,相关论文发表在Scripta Materialia。研究发现在剧烈变形的金属中从大气中捕获N2分子的现象,这在先前的研究中被忽略了。因此,设计填充有不同气体的纳米孔可以用作改善超细晶粒和纳米结构的金属材料的热稳定性的工具。(新发现!充气孔可以改善超细晶粒组织的稳定性)

早在2017年,《Scicence》在线发表了卢柯院士作为通讯作者的一篇论文,研究发现通过适当合金元素的晶界偏聚可以提高晶界稳定性,从而可以大幅度调控纳米金属的强度。这一发现揭示了纳米材料中软化和硬化行为本质,澄清了过去三十多年来关于这一问题的争论(《Science》卢柯院士发现晶界稳定性可调控纳米金属性能,澄清三十多年争论!)。

然而,合金化使得材料的成本不断攀升,性能提升幅度趋缓,回收利用更加困难。材料可持续发展越来越受到重视。2019年应《Science》邀请,卢柯院士和李秀艳研究员撰写了关于晶界调控实现材料素化的展望性论文,材料素化旨在通过跨尺度材料组织结构调控实现材料性能提升,替代合金化,减少合金元素的使用,促进材料回收和再利用。尽管这一概念原理上可行,但纳米结构的本征不稳定性导致纳米金属材料热稳定性差,给材料素化带来困难。(卢柯&李秀艳《Science》!晶界调控实现材料素化)

在2019年3月,卢柯院士等人关于晶界弛豫的成果发表在Physical Review Letters,发现晶界弛豫可有效地稳定纳米晶粒的纯金属,该发现说明与晶界偏聚效应类似,晶粒尺寸相关的晶界驰豫效应能明显对机械驱动晶界迁移起到抑制作用,这为提高纳米晶机械稳定性提供了新的方法,同时也为发展纳米晶制备工艺提供了重要参考,使得材料素化成为可能。(顶刊:卢柯等人纳米金属方面又一颠覆性发现!)

材料素化越来越引起关注。最近,清华大学陈浩等人利用一种尚未深入研究的平面缺陷,即化学界面,获得了由纳米板条马氏体和纳米孪晶奥氏体组成的新型分层异质组织结构,制备的低碳中锰钢抗拉强度超过2.0 GPa,并具有高延展性(>20%),同时不需要添加高含碳量或加入昂贵的合金元素。相关论文发表在Science Advances,开辟了替代晶界工程的新方法。 (重要突破!清华大学利用新方法获得2GPa的低成本超高强钢!)

2020年4月24日,李秀艳和卢柯等人以题“Rapid heating induced ultrahigh stability of nanograined copper”在Science Advances发文,研究发现快速加热可能会触发尺寸高达亚微米的纯铜纳米晶粒强烈的晶界弛豫,纯铜纳米晶粒在金属中具有明显的不稳定性。快速加热的铜纳米晶粒在高达0.6倍熔点的温度下仍保持稳定,这甚至高于变形粗晶铜的再结晶温度。由高密度纳米孪晶的产生而引起的热诱导晶界弛豫为将稳定纳米结构材料提供一种新方法。

论文链接:

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

卢柯院士再次发表顶尖论文:纳米晶材料稳定性又一重要发现!

研究人员通过在液氮中使用表面机械研磨处理(SMGT),在纯度为99.97%的粗晶无氧铜棒样品上制备了梯度纳米晶表面层。在最表层发现了平均横向尺寸约为40 nm,纵横比为1.7的随机取向晶粒。横向晶粒尺寸随着深度的增加而逐渐增加,在18μm深度时约为60 nm,在150μm深度时约为200 nm。在纳米晶组织中发现弱的{111}〈110〉织构。在纳米晶表层下方可以观察到变形的粗晶结构。然后将准备好的梯度纳米晶样品以不同的速率加热至预设温度523 K(这是粗晶Cu中退火孪晶的形成温度),并立即冷却至环境温度。在差示扫描量热仪上精确控制的四个加热速率(分别为1、80、160和240 K / min)用于确定加热速率对纳米晶粒粗化动力学的影响。

研究结果表明,热晶界弛豫后的纳米晶表现出异常高的热稳定性,起始粗化温度约为0.6 Tm(Tm为熔点)。它不仅比机械晶界弛豫后的Cu纳米晶粒高(约0.45 Tm),而且比变形的粗晶粒Cu的常规再结晶温度(0.4 Tm)高约280K。这意味着在纳米晶粒的热弛豫晶界中获得了比变形粗晶粒铜的传统晶界更高的稳定状态。晶界的显著稳定性差异可以从快速加热的纳米颗粒中更高的孪生密度推断解释,其晶界被更加强烈地松弛。研究热松弛晶界的本质及其在高温下的性能具有重要意义。

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图1 快速加热对纳米晶铜的稳定

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图2 纳米晶快速加热后形成大量的纳米孪晶和多面晶界

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图3 纳米晶快速热处理前后的热稳定性对比

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图4 热诱导晶界弛豫的纳米晶铜的超高热稳定性

热诱导的晶界弛豫源自快速加热过程中纳米晶界孪晶的产生。原则上,这种新颖的稳定化策略将同样适用于具有低层错能的其他纳米结构材料,包括工程合金,例如奥氏体不锈钢和镍基高温合金。因此,对于这对于推进纳米结构材料的高温应用具有重要意义。但是退火孪晶很难在具有高层错能的材料(例如Al和Ni)中形成,因而稳定这类纳米结构材料的原理和技术需要进一步研究。(文:董瑞)

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