中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心與上海交通大學(xué)的研究人員，通過大量精細(xì)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶粒尺寸降低到幾納米時(shí)，純金屬銅多晶體會(huì)形成一種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)——受限晶體結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。
金屬通常以多晶體形式存在，即許多金屬原子按一定規(guī)則整齊排列在一起形成一個(gè)有序區(qū)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(wěn)定性就越差。對(duì)于某些金屬合金，當(dāng)晶粒尺寸減小到足夠小時(shí)(通常為幾納米)，整個(gè)多晶體結(jié)構(gòu)會(huì)失穩(wěn)，形成一種亞穩(wěn)的非晶態(tài)固體，它在受熱或力的作用下會(huì)進(jìn)一步向更穩(wěn)定的晶體轉(zhuǎn)變。
論文第一作者、中國科學(xué)院金屬研究所研究員李秀艷介紹，非晶固態(tài)只在有限的合金成分范圍內(nèi)才能形成，對(duì)于絕大多數(shù)合金和純金屬，無論晶粒多么細(xì)小也無法形成非晶固態(tài)。那么，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(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)？
此次研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的這種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)——受限晶體結(jié)構(gòu)，具有極小界面的三維結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出極高的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性，在純銅的熔點(diǎn)以下不發(fā)生晶粒長大，其強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度。這一發(fā)現(xiàn)表明除非晶固態(tài)外，多晶體金屬在晶粒極細(xì)時(shí)還存在另外一種亞穩(wěn)固體狀態(tài)，其穩(wěn)定性甚至遠(yuǎn)高于非晶固體。
研究人員利用兩步低溫塑性變形技術(shù)，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(jié)構(gòu)下觀察發(fā)現(xiàn)，這種極細(xì)的多晶體中呈現(xiàn)出典型的類似水油不互溶雙連續(xù)相中常見的流形結(jié)構(gòu)。經(jīng)系統(tǒng)表征納米晶粒的尺寸、形態(tài)、取向及分布等，他們發(fā)現(xiàn)，許多極小晶粒具有規(guī)則的Kelvin截角八面體形態(tài)，并且存在相當(dāng)數(shù)量的低能界面。結(jié)合這些結(jié)構(gòu)特征和分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)這種極細(xì)晶粒之間的界面具有一種極小界面結(jié)構(gòu)特征，這種被稱為Schwarz-D的界面的平均曲率為零，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很強(qiáng)。同時(shí)，極細(xì)晶粒中大量低能孿晶界又進(jìn)一步約束了這種極小界面，使其穩(wěn)定性更高。
李秀艷表示，受限晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為探索固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本特征及其新性能開辟了全新空間，也為研發(fā)高穩(wěn)定性金屬材料及制造工藝提供了新的機(jī)遇。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abe1267
