導讀：納米晶粒材料固有的不穩定性限制了其應用，傳統方法是添加合金來穩定，但這使得材料的成本不斷攀升，性能提升幅度趨緩。盧柯院士團隊近年來致力於晶界調控實現材料素化，材料素化旨在通過跨尺度材料組織結構調控實現材料性能提升，替代合金化，減少合金元素的使用。
但納米金屬材料熱穩定性差，給材料素化帶來困難。盧柯院士團隊之前發現晶界弛豫可有效地穩定納米晶粒的純金屬，這為提高納米晶機械穩定性提供了新的方法，使得材料素化成為可能。4月24日，盧柯院士團隊再次在頂刊發文，發現快速加熱可能會觸發尺寸高達亞微米的純銅納米晶粒強烈的晶界弛豫，為穩定納米結構材料提供一種新方法。
熱穩定性差是超細晶粒和納米結構的晶體材料中的關鍵問題，也是阻礙其應用的原因之一，是目前的研究熱點。近期以色列理工學院和德國卡爾斯魯厄技術學院發現通過高壓扭力處理的銅超細顆粒表面層具有極高的熱穩定性，相關論文發表在Scripta Materialia。研究發現在劇烈變形的金屬中從大氣中捕獲N2分子的現象，這在先前的研究中被忽略了。因此，設計填充有不同氣體的納米孔可以用作改善超細晶粒和納米結構的金屬材料的熱穩定性的工具。（新發現！充氣孔可以改善超細晶粒組織的穩定性）
早在2017年，《Scicence》在線發表了盧柯院士作為通訊作者的一篇論文，研究發現通過適當合金元素的晶界偏聚可以提高晶界穩定性，從而可以大幅度調控納米金屬的強度。這一發現揭示了納米材料中軟化和硬化行為本質，澄清了過去三十多年來關於這一問題的爭論（《Science》盧柯院士發現晶界穩定性可調控納米金屬性能，澄清三十多年爭論！）。
然而，合金化使得材料的成本不斷攀升，性能提升幅度趨緩，回收利用更加困難。材料可持續發展越來越受到重視。2019年應《Science》邀請，盧柯院士和李秀豔研究員撰寫了關於晶界調控實現材料素化的展望性論文，材料素化旨在通過跨尺度材料組織結構調控實現材料性能提升，替代合金化，減少合金元素的使用，促進材料回收和再利用。儘管這一概念原理上可行，但納米結構的本徵不穩定性導致納米金屬材料熱穩定性差，給材料素化帶來困難。（盧柯&李秀豔《Science》！晶界調控實現材料素化）
在2019年3月，盧柯院士等人關於晶界弛豫的成果發表在Physical Review Letters，發現晶界弛豫可有效地穩定納米晶粒的純金屬，該發現說明與晶界偏聚效應類似，晶粒尺寸相關的晶界馳豫效應能明顯對機械驅動晶界遷移起到抑制作用，這為提高納米晶機械穩定性提供了新的方法，同時也為發展納米晶製備工藝提供了重要參考，使得材料素化成為可能。（頂刊：盧柯等人納米金屬方面又一顛覆性發現！）
材料素化越來越引起關注。最近，清華大學陳浩等人利用一種尚未深入研究的平面缺陷，即化學界面，獲得了由納米板條馬氏體和納米孿晶奧氏體組成的新型分層異質組織結構，製備的低碳中錳鋼抗拉強度超過2.0 GPa，並具有高延展性（>20％），同時不需要添加高含碳量或加入昂貴的合金元素。相關論文發表在Science Advances，開闢了替代晶界工程的新方法。 （重要突破！清華大學利用新方法獲得2GPa的低成本超高強鋼！）
2020年4月24日，李秀豔和盧柯等人以題“Rapid heating induced ultrahigh stability of nanograined copper”在Science Advances發文，研究發現快速加熱可能會觸發尺寸高達亞微米的純銅納米晶粒強烈的晶界弛豫，純銅納米晶粒在金屬中具有明顯的不穩定性。快速加熱的銅納米晶粒在高達0.6倍熔點的溫度下仍保持穩定，這甚至高於變形粗晶銅的再結晶溫度。由高密度納米孿晶的產生而引起的熱誘導晶界弛豫為將穩定納米結構材料提供一種新方法。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz8003
研究人員通過在液氮中使用表面機械研磨處理（SMGT），在純度為99.97％的粗晶無氧銅棒樣品上製備了梯度納米晶表面層。在最表層發現了平均橫向尺寸約為40 nm，縱橫比為1.7的隨機取向晶粒。橫向晶粒尺寸隨著深度的增加而逐漸增加，在18μm深度時約為60 nm，在150μm深度時約為200 nm。在納米晶組織中發現弱的{111}〈110〉織構。在納米晶表層下方可以觀察到變形的粗晶結構。然後將準備好的梯度納米晶樣品以不同的速率加熱至預設溫度523 K（這是粗晶Cu中退火孿晶的形成溫度），並立即冷卻至環境溫度。在差示掃描量熱儀上精確控制的四個加熱速率（分別為1、80、160和240 K / min）用於確定加熱速率對納米晶粒粗化動力學的影響。
研究結果表明，熱晶界弛豫後的納米晶表現出異常高的熱穩定性，起始粗化溫度約為0.6 Tm（Tm為熔點）。它不僅比機械晶界弛豫後的Cu納米晶粒高（約0.45 Tm），而且比變形的粗晶粒Cu的常規再結晶溫度（0.4 Tm）高約280K。這意味著在納米晶粒的熱弛豫晶界中獲得了比變形粗晶粒銅的傳統晶界更高的穩定狀態。 晶界的顯著穩定性差異可以從快速加熱的納米顆粒中更高的孿生密度推斷解釋，其晶界被更加強烈地鬆弛。研究熱鬆弛晶界的本質及其在高溫下的性能具有重要意義。
圖1 快速加熱對納米晶銅的穩定
圖2 納米晶快速加熱後形成大量的納米孿晶和多面晶界
圖3 納米晶快速熱處理前後的熱穩定性對比
圖4 熱誘導晶界弛豫的納米晶銅的超高熱穩定性
熱誘導的晶界弛豫源自快速加熱過程中納米晶界孿晶的產生。
原則上，這種新穎的穩定化策略將同樣適用於具有低層錯能的其他納米結構材料，包括工程合金，例如奧氏體不鏽鋼和鎳基高溫合金。因此，對於這對於推進納米結構材料的高溫應用具有重要意義。但是退火孿晶很難在具有高層錯能的材料（例如Al和Ni）中形成，因而穩定這類納米結構材料的原理和技術需要進一步研究。（文：董瑞）本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。
