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新型高强高稳定性亚稳态固体结构—受限晶体

信息来源:SYNL更新时间:2021-03-05阅读:286

金属通常以多晶体形式存在,内部包含大量晶界面;由于晶界区原子往往呈杂乱无序的排列,使多晶体的稳定性远低于完整晶体(单晶体)。晶粒尺寸越小晶界原子比越大,多晶体的稳定性就越低。对于某些金属合金,当晶粒尺寸减小到足够小时(通常为几纳米),整个多晶体结构失稳,形成一种亚稳的非晶态固体。但通常非晶固态只在有限的合金成分范围内才能形成,所以材料科学和凝聚态物理领域长期以来存在一个重要的基础性问题:在多晶体晶粒尺寸不断减小接近某极限值(如原子尺寸)前是否还存在别的亚稳态结构?

本工作利用大量精细实验并结合模拟计算发现,当晶粒尺寸降低到几纳米时,纯金属铜多晶体会形成一种新型亚稳结构——Schwarz crystal(受限晶体)结构。采用两步低温塑性变形技术,成功将纯铜晶粒尺寸降低至10 nm以下;结合实验观察和分子动力学模拟,发现这种极细晶粒之间的界面具有一种极小界面结构特征,被称为Schwarz-D界面,其平均曲率为零,结构稳定性很强。同时,晶粒中大量低能孪晶界又进一步约束了这种极小界面,使其稳定性更高。因此,这种具有孪晶限制的极小界面结构的多晶体(简称为“受限晶体”)能够表现出极高的热稳定性和力学稳定性。

受限晶体结构的发现为探索固态物质结构基本特征及其新性能开辟了一个全新空间,也为研发高稳定性金属材料及制造工艺提供了新的机遇与挑战。相关论文发表于Science, 370 (2020) 831。

图1 (a) 受限晶体Cu形貌图;(b) 分子动力学模拟受限晶体结构图;(c)呈现截角八面体特征的极小尺寸晶粒形貌及模拟对应结构;(d) 纯Cu晶粒粗化温度与强度随晶粒尺寸的变化,受限晶体呈现出接近熔点的超高稳定性和接近理想强度的高强度。