放電等離子燒結（SPS）過程的強脈衝電流往往可賦予燒結材料特殊的微觀組織，形成有別於傳統燒結材料的精細結構。近期，江西理工大學材料冶金化學學部鄧聲華與中南大學袁鐵錘教授、李瑞迪研究員合作，採用SPS熱處理W/Co金屬擴散偶，發現W/Co接合界面形成的金屬間化合物晶體在大電流作用下，具有典型的擇優生長特徵。作者從電遷移效應導致各向異性原子擴散的角度解釋了電流誘導晶體定向生長的物理機制。此項研究以「The preferential growth behaviors of the intermetallics at the W/Co interface during spark plasmasintering」為題發表在Applied Physics Letters上，且被評為Editor's Pick（編輯精選）並展示於該期刊主頁。
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https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0026092
該工作分別採用SPS及熱壓（HP）方式製備了W/Co擴散偶。在對擴散界面形成的金屬間化合物Co3W晶粒的取向進行表徵後發現，相同熱處理條件下採用兩種方式獲得的Co3W晶體生長行為存在顯著差異。電流作用下Co3W為典型的柱狀晶且具有擇優生長取向。而無電流作用下其晶粒呈無規則生長且無擇優生長現象，證明了高密度電流影響了晶體的生長取向。
圖1 W/Co擴散偶界面
圖2 採用SPS與HP熱處理的W/Co界面形成的Co3W組織
為精確計算Co3W晶體在SPS電流作用下的生長取向，依據晶粒歐拉角與電流方向的空間幾何關係，計算並統計了各晶粒的取向與電流方向的夾角。最終發現SPS過程Co3W晶粒在電流方向上傾向於沿[21_1_0] 及其等效晶向定向生長。
圖3反應層Co3W晶粒晶向與電流方向之間的空間幾何關係
表1 圖3中各Co3W晶粒的[101_0]、[1_21_0]及[21_1_0]與電流方向夾角
為揭示高密度電流下晶體定向生長的物理機制。根據經典固體物理學觀點及量子自由電子相關理論，推導了材料電導率大小（即電阻）取決於晶體點陣結構對電子流的散射作用的物理關係。有意思的是，經過對Co3W各個晶向的平均面原子密度（單位面積原子密度，反映了晶格對電流的散射）的計算發現，[21_1_0] 及其等效晶向恰好是面原子密度最小的方向（即電阻最小的方向）。也就是說，電流下晶體具有沿電阻最小方向生長的趨勢。巧合的是，現有研究發現電流的電遷移效應可導致金屬材料電阻降低。說這明電流作用下晶體的定向生長與電遷移效應有密切關聯。基於此，作者提出晶體電阻各向異性—導致電遷移作用下原子擴散速度各向異性—導致晶體各晶向各向異性生長—導致晶體擇優生長的物理模型，解釋了電流作用下晶體定向生長的現象。
圖4 Co3W晶體各個晶向上的平均面原子密度
綜上，本文研究了W/Co擴散偶在SPS與HP熱處理下，界面形成的金屬間化合物Co3W晶體的生長行為，發現Co3W在高密度電流下具有擇優生長現象。本文從電遷移誘導各向異性原子擴散角度闡明了電流誘導晶體擇優生長的本徵物理機制。研究結論將為電場輔助製備具有擇優取向的材料提供新的思路和理論支撐。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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