纳米人-卢柯院士Sci. Adv.：快速加热诱导纳米铜的超高稳定性

卢柯院士Sci. Adv.：快速加热诱导纳米铜的超高稳定性

痴迷文献痴迷文献 2020-04-26

纳米颗粒材料固有的热和机械不稳定性限制了其加工和技术应用。除了基于合金的传统稳定策略外，最近还发现晶界弛豫可有效地稳定纯金属纳米晶粒。可以通过使临界尺寸以下（通常为几十纳米）的极细纳米颗粒变形来诱导晶界弛豫。

有鉴于此，中科院金属所卢柯院士，李秀艳研究员报道了快速加热可能会触发尺寸高达亚微米的纯铜纳米晶粒强烈的晶界弛豫，纯铜纳米晶粒在金属中具有明显的不稳定性。快速加热的铜纳米晶粒在高达0.6倍熔点的温度下仍保持稳定，这甚至高于变形粗晶铜的再结晶温度。由高密度纳米孪晶的产生而引起的热诱导晶界弛豫为将稳定纳米结构材料提供一种新方法。

文章要点

1）研究人员采用液氮表面机械研磨(SMGT)方法在粗晶无氧铜棒试样表面制备了梯度纳米晶表层，纯度为99.97%。在最上层发现了平均横截面尺寸为~40 nm、长径比为1.7的随机取向晶粒。随着深度的增加，横向晶粒尺寸逐渐增大，在18μm深度，尺寸约为60 nm，在150 μm深度，尺寸约为200 nm。纳米晶层中存在较弱的{111}〈110〉织构。在纳米结构表面层下面可以发现变形的粗晶结构。然后将制备的梯度纳米晶试样以不同的速率加热到523 ℃的预设温度，然后立即冷却到环境温度。在差示扫描量热仪上精确控制了4种升温速率(分别为1、80、160和240K/min)，以确定速率对纳米颗粒粗化动力学的影响。

2）研究人员用透射电镜系统地表征了表面层稳定的纳米颗粒。在与所制备的样品中80 nm晶粒相对应的约25minm的深度处，快速加热后的晶粒尺寸分布和平均尺寸以及电子衍射图谱没有明显的差异。相反，在1K/min的温度下，在相同的深度形成了边界尖锐的微米级晶粒。在此深度处测得的纳米硬度为2.35±0.10 GPa。快速加热后略有增加，约为2.20±0.12 GPa。研究表明，快速加热导致了从60到160 nm的额外稳定晶粒尺寸区域。

3）TEM图像显示，在快速加热的样品中发现了许多纳米颗粒(如圆圈)中的孪晶。HRTEM图像显示，纳米颗粒中有大量的穿透晶粒孪晶，间距从几个纳米到几十个纳米不等，其形貌与机械GB弛豫后的纳米颗粒相似。纳米晶粒中的孪晶密度比再结晶后变形的粗晶中观察到的孪晶密度高出数量级。透射电镜测量的GB特征分布图显示，快速加热后孪晶密度显著增加。在HRTEM下放大快速退火样品的纳米颗粒边界，研究人员观察到许多GBs与孪晶共生，孪晶变成多面的，形成了几个纳米长的(111)面台阶。台阶由其他(111)面连接，形成之字形结构。显然，在快速加热后，纳米颗粒的边界往往会重新排列到低过剩能量状态。研究人员认为，纳米颗粒的边界弛豫是在表面层通过高升温速率加热引起的，类似于通过应变机械激活引起的。

4）热GB弛豫后的纳米颗粒表现出极高的热稳定性，起始粗化温度约为0.6 Tm。它不仅比变形粗晶Cu的机械GB弛豫后的再结晶温度(约0.45 Tm)高，而且比变形粗晶Cu的常规再结晶温度(0.4 Tm)高约280 K。这意味着纳米颗粒的热松弛边界比传统的变形粗晶Cu晶界具有更稳定的状态。这种显著的稳定性差异可能是由于快速加热的纳米颗粒具有更高的孪晶密度，并且晶界更加松弛。热弛豫态玻璃的性质及其高温性能具有重要的研究意义。