浙大《Nature》子刊新思路：晶界調控金屬納米結構循環變形行為！

導讀：本文提出了一種通過晶界調控實現金屬納米結構可控循環變形的新思路，系統闡釋了金屬納米結構在循環剪切過程中通過小角度晶界分解和晶界位錯協同運動而實現可逆塑性變形的獨特行為。這種「自下而上」的納米材料設計新思路，為微納結構材料的結構設計和損傷控制提供依據。上述發現系統闡明了界面結構設計在微納結構材料性能調控中的重要意義。

微納器件的飛速發展對納米材料的結構設計和可靠性提出了更高的要求。其中，長期服役過程中應力/應變誘導的不可逆微結構損傷往往導致器件功能退化甚至失效，因此提高納米結構的循環抗力和損傷容限顯得尤為重要。然而，納米尺度材料變形時極易發生非均勻的缺陷形核（如表面位錯形核），大量缺陷的非保守運動容易誘發剪切局域化和結構失穩，使得調控微納結構材料的可逆塑性變形仍面臨諸多挑戰。現有技術可通過引入可逆孿生和可逆相變等塑性變形機制實現一定的循環變形能力，然而其適用範圍較為有限。探索一條普適的材料微結構設計思路，可控調節金屬納米結構的循環變形行為，對於提升微納器件的可靠性具有重要而廣泛的指導意義。

6月18日，浙江大學材料科學與工程學院張澤院士、王江偉研究員團隊與浙江大學交叉力學中心楊衛院士、周昊飛研究員團隊合作，提出了一種通過晶界調控實現金屬納米結構可控循環變形的新思路，並以面心立方金屬納米結構為例，結合先進的原位電鏡納米力學測試和分子動力學模擬，系統闡釋了金屬納米結構在循環剪切過程中通過小角度晶界分解和晶界位錯協同運動而實現可逆塑性變形的獨特行為。該機制在不同的傾轉角度、晶體長徑比、加載速率、加載溫度、加載模式（如剪切和拉壓）等條件下都能有效抑制缺陷的非均勻形核和非保守運動，維持納米結構的循環穩定性。相關成果以「Metallic nanocrystals with low angle grain boundary for controllable plastic reversibility」為題發表在Nature Communications上。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16869-3

受塊體金屬材料疲勞性能的界面調控啟發，研究人員利用原位納米技術將晶界引入納米結構材料，製備了一系列包含<110>傾轉小角晶界的Au納米雙晶體，並開展循環加載測試。以13.5° [1-10]小角晶界為例（圖1a），在循環載荷作用下，由位錯構成的小角晶界（圖1j）通過晶界位錯的保守滑移可實現多周次的往復遷移，其間納米雙晶體的幾何結構保持穩定（圖1a-i）。定量統計結果表明，晶界遷移-剪切位移曲線在循環加載各周次內幾乎一致，進一步證實了小角晶界主導的循環變形的穩定性（圖1k）。

圖1. Au納米雙晶中13.5° [10]小角晶界在循環剪切加載下的往復遷移過程。(a-e) 小角度晶界在第1個加載周期內的往復遷移過程。(f-h) 第2-5個加載周期內小角度晶界的往復遷移。(j) 13.5° [1-10] 小角度晶界的原子結構。(k) 5個循環加載周期內晶界遷移-剪切位移關係的統計。圖(a)的標尺為5nm；圖(j)的標尺為2nm。

原子尺度分析發現，晶界位錯在往復遷移過程中分解成兩個Shockley不全位錯構成的偶極子，其連續的滑移系分別位於兩側晶粒內，在循環載荷作用下可在兩個晶粒內實現連續運動，因而表現出良好的可逆變形行為（圖2a-c）。這種小角度晶界的保守遷移行為從根本上抑制了晶格缺陷的非均勻表面形核，可有效維持金屬納米雙晶的結構穩定性，從而實現穩定的循環變形。分子動力學模擬進一步驗證，小角度晶界在500個加載周期後仍然具有穩定的往復遷移能力，且納米雙晶未出現結構損傷（圖2f-g）。

圖2. (a-c) 13.5° [1-10] 小角度晶界往復遷移過程中的分解構型。(d) 分子動力學模擬構建的Au雙晶三維結構。(e) 單一周期剪切循環載荷下小角度晶界的往復遷移。(f-g) 第50和500周期循環剪切載荷下小角度晶界的往復遷移。圖(a)的標尺為2nm；圖(e)的標尺為5nm。

大量實驗和模擬表明，位錯型晶界的分解及其可逆遷移行為普遍存在於多種FCC金屬的納米結構中。然而，伴隨晶界傾轉角（θ）的增大，晶界分解寬度逐漸減小，晶界能量升高（圖3b-c），使得晶界遷移速率降低，剪切耦合因子增大（圖3d）。基於統計分析，研究人員定量確定了8°-24°的理想傾轉角區間，在此區間內不同FCC金屬納米雙晶中的位錯型晶界均可實現穩定、可控的往復遷移，使得納米雙晶表現出良好的循環變形能力。對非對稱小角晶界在循環加載過程中所受正向/反向切應力的定量分析也證實了晶界調控在循環變形中的重要作用（圖3e-f）。

圖3. 位錯型晶界的循環變形能力。(a) 分解前後小角度晶界結構的幾何模型。(b) Au雙晶中<110>晶界隨傾轉角變化的分解寬度和晶界能量。(c) FCC金屬中普遍存在的晶界分解。(d)晶界遷移速率和剪切耦合因子隨傾轉角的變化趨勢。(e-f) 晶界在等應變幅往復遷移過程中所受切應力的範圍與幾何模型預測。

由於晶界分解位錯的滑移系分別位於兩側晶粒內，位錯型晶界的可逆變形能力不受晶界傾斜角（α）和對稱性的限制（圖1和圖4a-b），因而具有良好的普適性和穩定性。實驗和理論模擬也進一步證實，改變納米雙晶長徑比（圖4c）、加載速率（圖4d）、加載溫度、加載模式（如拉-壓）等並不影響納米雙晶體通過晶界往復遷移發生穩定、可控的循環變形。

圖4. 晶界結構設計調控金屬納米晶體的循環變形能力。(a-b) 包含18° [10] 晶界的Au納米雙晶在低應變率下(610-3 s-1)由晶界遷移主導的循環變形。(c)大長徑比納米雙晶穩定的循環變形。(d) 高應變率下(610-1 s-1)納米雙晶穩定的循環變形。(e) 晶界結構設計調控金屬納米晶體的循環變形行為的新思路。圖(a, c, d)的標尺為2nm。

基於實驗觀察和理論分析，研究人員提出一種「自下而上」的納米材料設計新思路，以晶界位錯為基本單元，設計具有穩定往復遷移能力的晶界，針對性調控FCC金屬納米結構循環變形能力（圖4e），為微納結構材料的結構設計和損傷控制提供依據。上述發現系統闡明了界面結構設計在微納結構材料性能調控中的重要意義，對NEMS晶片、柔性器件、減震/能量耗散部件等高性能器件的開發和極端環境中的應用具有重要意義。

本工作得到了國家自然科學基金委的資助。博士生祝祺、黃綺珊和曹廣為論文共同一作，王江偉研究員、周昊飛研究員為論文通訊作者，張澤院士、楊衛院士對本工作提出了寶貴指導意見，澳大利亞雪梨大學安祥海博士、美國匹茲堡大學毛星原教授和新加坡南洋理工大學高華健教授參與了本工作。

*感謝王江偉研究員團隊和周昊飛研究員團隊對本文的大力支持。