近日，九三學(xué)社中央副主席、中科院院士、中科院金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心“萬人計劃”科學(xué)家工作室研究員盧柯領(lǐng)銜的納米金屬穩(wěn)定性研究取得重要進(jìn)展。
盧柯與研究員李秀艷及其指導(dǎo)的中國科技大學(xué)材料學(xué)院研究生周鑫研究發(fā)現(xiàn)，金屬晶粒細(xì)化至納米尺寸可以大幅度提高其強度和硬度，但是由于引入大量晶界，納米金屬材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變低，晶粒長大傾向明顯。在一些納米金屬，如純銅中，納米晶粒甚至在室溫條件下即發(fā)生長大。這種固有不穩(wěn)定性一方面給納米金屬材料的制備帶來困難，另一方面也限制了納米金屬實際應(yīng)用。
對于塑性變形制備的納米晶，其顯著不穩(wěn)定只在一定的晶粒尺寸范圍內(nèi)發(fā)生，之后隨著晶粒尺寸的降低，其穩(wěn)定性不降反升。對于純銅而言，尺寸為70nm的晶粒在413K退火30分鐘即發(fā)生顯著長大，遠(yuǎn)低于粗晶銅的再結(jié)晶溫度。而低于70nm，隨著晶粒尺寸的進(jìn)一步減小，納米晶的穩(wěn)定性反有所上升，尺寸為30nm的晶粒，其顯著長大溫度甚至高達(dá)600K以上。研究發(fā)現(xiàn)，低于70nm晶粒穩(wěn)定性升高來自于晶界能的自發(fā)降低。塑性變形過程中，70nm以下，晶界能自發(fā)由原來0.52J/m2降低至0.23-0.27J/m2，這一現(xiàn)象與在該尺寸下全位錯不能弓出，晶界通過釋放不全位錯容納變形有關(guān)。不全位錯的釋放改變了晶界的結(jié)構(gòu)，使之向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變。
研究還發(fā)現(xiàn)，納米晶這一反常穩(wěn)定不只在純銅這樣的中低層錯能金屬中發(fā)生，在高層錯能純鎳中也同樣存在。尺寸為15nm左右的純鎳晶粒顯著長大溫度為1173 K (~0.68Tm)，遠(yuǎn)高于粗晶鎳的再結(jié)晶溫度。
超高穩(wěn)定性納米晶的發(fā)現(xiàn)，不僅對于人們理解納米晶的變形機制以及晶界在納米尺寸下的行為非常重要，同時也展示了發(fā)展高溫使用的納米晶的可能性。
該研究得到科技部納米科技重點專項和國家自然基金資助。其成果于5月4日在《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表。
