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科學家在極細多晶體銅中發現新型亞穩結構

來源:中國科學報 作者:沈春蕾 2020年11月20日 09:56

  中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心與上海交通大學的研究人員,通過大量精細實驗並結合模擬計算發現,當晶粒尺寸降低到幾納米時,純金屬銅多晶體會形成一種新型亞穩結構——受限晶體結構。相關研究成果近日發表於《科學》。

  金屬通常以多晶體形式存在,即許多金屬原子按一定規則整齊排列在一起形成一個有序區域,稱為晶粒。晶粒尺寸越小,晶界上原子就比較多,多晶體的穩定性就越差。對於某些金屬合金,當晶粒尺寸減小到足夠小時(通常為幾納米),整個多晶體結構會失穩,形成一種亞穩的非晶態固體,它在受熱或力的作用下會進一步向更穩定的晶體轉變。

  論文第一作者、中國科學院金屬研究所研究員李秀豔介紹,非晶固態只在有限的合金成分範圍內才能形成,對於絕大多數合金和純金屬,無論晶粒多麼細小也無法形成非晶固態。那麼,在多晶體晶粒尺寸不斷減小接近某極限值(如原子尺寸)前是否存在別的亞穩態結構?

  此次研究團隊發現的這種新型亞穩結構——受限晶體結構,具有極小界面的三維結構,表現出極高的熱穩定性和力學穩定性,在純銅的熔點以下不發生晶粒長大,其強度接近理論強度。這一發現表明除非晶固態外,多晶體金屬在晶粒極細時還存在另外一種亞穩固體狀態,其穩定性甚至遠高於非晶固體。

  研究人員利用兩步低温塑性變形技術,成功地將純銅薄片的晶粒尺寸降低到10納米以下。他們在顯微結構下觀察發現,這種極細的多晶體中呈現出典型的類似水油不互溶雙連續相中常見的流形結構。經系統表徵納米晶粒的尺寸、形態、取向及分佈等,他們發現,許多極小晶粒具有規則的Kelvin截角八面體形態,並且存在相當數量的低能界面。結合這些結構特徵和分子動力學模擬計算,研究人員發現這種極細晶粒之間的界面具有一種極小界面結構特徵,這種被稱為Schwarz-D的界面的平均曲率為零,結構穩定性很強。同時,極細晶粒中大量低能孿晶界又進一步約束了這種極小界面,使其穩定性更高。

  李秀豔表示,受限晶體結構的發現為探索固態物質結構基本特徵及其新性能開闢了全新空間,也為研發高穩定性金屬材料及製造工藝提供了新的機遇。

  相關論文信息:

  //doi.org/10.1126/science.abe1267

(責編:鄢妮)