6月18日，Nature Communications在線發(fā)表了浙江大學材料科學與工程學院電鏡中心張澤院士、王江偉研究員與浙江大學航空航天學院交叉力學中心楊衛(wèi)院士、周昊飛研究員等合作的研究成果《小角晶界調(diào)控金屬納米結(jié)構(gòu)循環(huán)變形》 （Metallic nanocrystals with low angle grain boundary for controllable plastic reversibility）。研究人員提出了一種通過晶界調(diào)控實現(xiàn)金屬納米結(jié)構(gòu)可控循環(huán)變形的新思路，并以面心立方金屬納米結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合先進的原位電鏡納米力學測試和分子動力學模擬，系統(tǒng)闡釋了金屬納米結(jié)構(gòu)在循環(huán)剪切過程中通過小角度晶界分解和晶界位錯協(xié)同運動實現(xiàn)可逆塑性變形的獨特行為。
微納器件的飛速發(fā)展對納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性提出了更高的要求。其中，長期服役過程中應(yīng)力/應(yīng)變誘導(dǎo)的不可逆微結(jié)構(gòu)損傷往往導(dǎo)致器件功能退化甚至失效，因此提高納米結(jié)構(gòu)的循環(huán)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(fā)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(fā)剪切局域化和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，使得調(diào)控微納結(jié)構(gòu)材料的可逆塑性變形仍面臨諸多挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)可通過引入可逆孿生和可逆相變等塑性變形機制實現(xiàn)一定的循環(huán)變形能力，然而其適用范圍較為有限。探索一條普適的材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，可控調(diào)節(jié)金屬納米結(jié)構(gòu)的循環(huán)變形行為，對于提升微納器件的可靠性具有廣泛而重要的指導(dǎo)意義。
受塊體金屬材料疲勞性能的界面調(diào)控啟發(fā)，該課題組研究人員利用原位納米制備技術(shù)將晶界引入納米結(jié)構(gòu)材料，制備了一系列包含<110>傾轉(zhuǎn)小角晶界的Au納米雙晶體，并開展循環(huán)加載測試。在循環(huán)載荷作用下，由分解位錯構(gòu)成的小角晶界通過晶界位錯的保守滑移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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)變形（圖1）。分子動力學模擬進一步驗證，小角度晶界在500個加載周期后仍然具有穩(wěn)定的往復(fù)遷移能力，且納米雙晶未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷（圖2）。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于多種FCC金屬的納米結(jié)構(gòu)中。基于統(tǒng)計分析，研究人員定量確定了8°-24°的理想傾轉(zhuǎn)角區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)不同FCC金屬納米雙晶中的位錯型晶界均可實現(xiàn)穩(wěn)定、可控的往復(fù)遷移，使得納米雙晶表現(xiàn)出良好的循環(huán)變形能力（圖3）。實驗和理論模擬進一步證實，改變納米雙晶長徑比、加載速率、加載溫度、加載模式（如拉-壓）等并不影響納米雙晶體通過晶界往復(fù)遷移發(fā)生穩(wěn)定、可控的循環(huán)變形（圖4）。基于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(shè)計新思路，以晶界位錯為基本單元，設(shè)計具有穩(wěn)定往復(fù)遷移能力的晶界，針對性調(diào)控FCC金屬納米結(jié)構(gòu)循環(huán)變形能力，為微納材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和損傷控制提供依據(jù)。上述發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)闡明了界面結(jié)構(gòu)設(shè)計在微納結(jié)構(gòu)材料性能調(diào)控中的重要意義，對NEMS芯片、柔性器件、減震/能量耗散部件等高性能器件的開發(fā)和極端環(huán)境中的應(yīng)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(wèi)院士對本工作提出了寶貴指導(dǎo)意見，澳大利亞悉尼大學安祥海博士、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。
圖1. Au納米雙晶中13.5° [11?0]小角晶界在循環(huán)剪切加載下的往復(fù)遷移過程。
圖2. 小角晶界的分解與多周期循環(huán)剪切載荷下穩(wěn)定的往復(fù)遷移。
·
圖3. 傾轉(zhuǎn)角連續(xù)變化的位錯型晶界在FCC金屬納米結(jié)構(gòu)中的循環(huán)變形能力。
圖4. 晶界結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)控金屬納米晶體的循環(huán)變形能力。
文獻連接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16869-3
