| 我國學者在金屬材料研究領域獲新發現 |
| 獲得具有超細特徵尺寸的納米結構金屬，並發現減小孿晶片層厚度將增加材料強度 |
本報瀋陽2月1日訊（通訊員劉言 記者畢偉）近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室研究員盧磊領導的研究小組與研究員盧柯、丹麥Risf國家實驗室的黃曉旭博士合作，利用共格孿晶界獨特的穩定界面結構獲得了具有超細特徵尺寸的納米結構金屬，並發現減小孿晶片層厚度將增加材料的強度。這一發現表明，當純金屬的特徵尺寸降低至納米量級時，由於塑性變形機制的變化會導致極值強度的出現，同時表現出一般金屬材料所不具備的超高加工硬化效應。2009年1月30日，美國Science雜誌報導了此結果。評審人認為，作者在利用納米孿晶強化材料本質方面獲得了具有重大意義的發現，不但豐富和拓寬了人們對納米尺度材料塑性變形的本質的認識，同時也為進一步發展高性能納米結構材料及其應用提供了重要線索。
普通多晶體金屬材料的強度通常隨晶粒尺寸的減小而升高。這種晶粒細化強化源於更多晶界的阻礙位錯運動，從而使塑性變形困難。但是，當晶粒尺寸小至納米量級時，晶格位錯運動將受到抑制，塑性變形的控制機制由晶格位錯運動逐步轉化為晶界行為，從而使材料強度下降。因此，理論分析和分子動力學模擬均預測，當金屬材料的晶粒尺寸小至納米量級時，其強度將出現一極大值，隨晶粒尺寸進一步減小會導致材料軟化。然而，迄今為止，這種極值強度在純金屬力學性能實驗中尚未觀察到。其主要原因是製備超細晶粒尺寸（通常小於10納米）的納米材料非常困難：純金屬材料中晶粒具有很高的長大驅動力。通常，晶粒愈小，長大驅動力愈大，晶粒很容易在室溫狀態或更低的溫度下就發生長大。因此，如何製備出穩定的超細特徵尺寸的納米結構材料並探索其本徵變形機理，長期以來是納米金屬材料領域一大難題。
盧磊及其合作者採用脈衝沉積技術，通過細緻的工藝探索在純銅樣品中成功地將孿晶片層平均厚度（?姿）減小到約4納米，並發現減小孿晶片層厚度材料的強度增加。當孿晶片層厚度為15納米時，材料強度達到最大值。進一步減小孿晶片層，強度反而減小、出現軟化現象。隨孿晶片層減小，樣品的塑性和加工硬化能力單調增加。當孿晶片層小於10納米時，其加工硬化係數超過了粗晶純銅的加工硬化係數，即銅及銅合金的加工硬化係數上限，表現出超高加工硬化能力。分析表明，納米孿晶銅中極值強度的出現，是由於隨孿晶片層尺寸減小塑性變形機制從位錯孿晶界相互作用主導轉變為由孿晶片層結構中預存位錯運動主導所致。而超高加工硬化效應則來源於納米孿晶片層中大量孿晶界可有效吸納高密度位錯，其位錯密度較一般多晶體中的飽和位錯密度高1～2個數量級。
塑性變形過程中，共格孿晶界可有效阻礙位錯，具有和普通晶界相似的強化作用。同時，共格孿晶界又可作為位錯的滑移面吸納大量位錯，與普通晶界相比，孿晶界結構更加穩定，其過剩能僅為普通晶界的十分之一。因此，納米孿晶結構從能量上要比相同化學成分的納米晶體結構穩定很多。這種穩定的超細納米孿晶結構的獲得不僅是傳統材料製備技術的突破，同時也為深入研究金屬材料力學行為的納米尺寸效應提供了可能。
《科學時報》 (2009-2-2 A1 要聞)