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新型高強高穩定性亞穩態固體結構—受限晶體


金屬通常以多晶體形式存在,內部包含大量晶界面;由于晶界區原子往往呈雜亂無序的排列,使多晶體的穩定性遠低于完整晶體(單晶體)。晶粒尺寸越小晶界原子比越大,多晶體的穩定性就越低。對于某些金屬合金,當晶粒尺寸減小到足夠小時(通常為幾納米),整個多晶體結構失穩,形成一種亞穩的非晶態固體。但通常非晶固態只在有限的合金成分范圍內才能形成,所以材料科學和凝聚態物理領域長期以來存在一個重要的基礎性問題:在多晶體晶粒尺寸不斷減小接近某極限值(如原子尺寸)前是否還存在別的亞穩態結構?

本工作利用大量精細實驗并結合模擬計算發現,當晶粒尺寸降低到幾納米時,純金屬銅多晶體會形成一種新型亞穩結構——Schwarz crystal(受限晶體)結構。采用兩步低溫塑性變形技術,成功將純銅晶粒尺寸降低至10 nm以下;結合實驗觀察和分子動力學模擬,發現這種極細晶粒之間的界面具有一種極小界面結構特征,被稱為Schwarz-D界面,其平均曲率為零,結構穩定性很強。同時,晶粒中大量低能孿晶界又進一步約束了這種極小界面,使其穩定性更高。因此,這種具有孿晶限制的極小界面結構的多晶體(簡稱為“受限晶體”)能夠表現出極高的熱穩定性和力學穩定性。

受限晶體結構的發現為探索固態物質結構基本特征及其新性能開辟了一個全新空間,也為研發高穩定性金屬材料及制造工藝提供了新的機遇與挑戰。相關論文發表于Science, 370 (2020) 831。

圖1 (a) 受限晶體Cu形貌圖;(b) 分子動力學模擬受限晶體結構圖;(c)呈現截角八面體特征的極小尺寸晶粒形貌及模擬對應結構;(d) 純Cu晶粒粗化溫度與強度隨晶粒尺寸的變化,受限晶體呈現出接近熔點的超高穩定性和接近理想強度的高強度。

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