【物化】晶界動力學的新理論

2021-01-19 X-MOL資訊


大多數金屬、合金和陶瓷是晶體，它們的原子周期性地排列在晶格中。完美的晶體具有相同的周期性結構。大多數晶體是由不同的晶體顆粒組成的，所有這些晶體顆粒都具有相同的原子結構，但取向彼此不同。材料學家特別關心這些晶粒間邊界——晶界，因為在晶界中更可能發生腐蝕和其他的損壞。了解晶界在受到外力作用時如何移動，是材料微結構工程的基礎。美國賓夕法尼亞大學陳孔韜博士及其合作者，通過位錯的統計物理模型和分子動力學模擬，說明了晶界遷移率（晶界動力學裡最重要的係數）其實是一個二階對稱矩陣，而不是目前科學家普遍認為的標量。晶界遷移率是晶界速度和驅動力之間的比例係數。雖然晶界速度通常被認為是晶界沿著法向的運動速度，但是晶界上下的晶粒也會相對滑移，所以，晶界速度是矢量。由於晶界運動可以被晶界上下的化學勢差或切應力所驅動，所以，晶界上的驅動力也是矢量。因此，做為速度和驅動力的比例係數，晶界遷移率必須是矩陣。通過對一個銅的晶界的分子動力學模擬，陳孔韜等發現，晶界遷移率矩陣的所有分量都不為零。其中一些分量隨著溫度上升而增加，另一些隨著溫度上升而下降。陳孔韜等提出了一種基於位錯的統計模型，說明了在一個臨界溫度以下，晶界遷移率和溫度遵守阿倫尼烏斯方程，而在臨界溫度以上，晶界遷移率反比於溫度（圖1）。這個臨界溫度由位錯的能量決定。對於一個晶界，哪個位錯發揮主導作用，取決於驅動力的類型和所研究的晶界遷移率分量。最後，陳孔韜等研究了晶界遷移率張量如何影響了經典晶粒生長理論，並說明了晶界運動帶來的應力會降低晶界遷移率和晶粒生長速度（圖2）。

圖1. 晶界遷移率張量的各個分量的溫度依賴性。圖片來源：PNAS

圖2. 晶粒生長中，晶粒大小、切變隨時間的演化。圖片來源：PNAS這一成果近期發表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 上，文章的第一作者是陳孔韜博士。近年來，陳孔韜博士用統計物理、分子動力學、蒙特卡洛模擬等方法研究晶界動力學，以第一作者在PNAS、Acta Materialia 等發表多篇論文，取得令人矚目的進展。The grain boundary mobility tensorKongtao Chen, Jian Han, Xiaoqing Pan, David J. SrolovitzPNAS, 2020, 117, 4533-4538, DOI: 10.1073/pnas.1920504117


陳孔韜，賓夕法尼亞大學博士，師從美國工程院院士David Srolovitz，用統計物理、分子動力學、蒙特卡洛模擬等方法研究晶界動力學。曾獲Acta Student Award (結構材料學頂級刊物Acta Materialia 的年度最佳學生論文獎)，President Gutmann Leadership Award (賓夕法尼亞大學授予頂尖研究生的獎項)，擔任Materials & Design 等期刊審稿人，並受邀在美國麻省理工學院、法國裡爾大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室等進行學術報告。以第一作者在PNAS、Acta Materialia 等發表多篇論文，並被Justdial.com, Phys.org等國際媒體報導。

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