科学家在极细多晶体铜中发现新型亚稳结构

仙仙

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心与上海交通大学的研究人员，通过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——受限晶体结构。相关研究成果近日发表于《科学》。


金属通常以多晶体形式存在，即许多金属原子按一定规则整齐排列在一起形成一个有序区域，称为晶粒。晶粒尺寸越小，晶界上原子就越多，多晶体的稳定性就越差。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），整个多晶体结构会失稳，形成一种亚稳的非晶态固体，它在受热或力的作用下会进一步向更稳定的晶体转变。


论文第一作者、中国科学院金属研究所研究员李秀艳介绍，非晶固态只在有限的合金成分范围内才能形成，对于绝大多数合金和纯金属，无论晶粒多么细小也无法形成非晶固态。那么，在多晶体晶粒尺寸不断减小接近某极限值（如原子尺寸）前是否存在别的亚稳态结构？


此次研究团队发现的这种新型亚稳结构——受限晶体结构，具有极小界面的三维结构，表现出极高的热稳定性和力学稳定性，在纯铜的熔点以下不发生晶粒长大，其强度接近理论强度。这一发现表明除非晶固态外，多晶体金属在晶粒极细时还存在另外一种亚稳固体状态，其稳定性甚至远高于非晶固体。


研究人员利用两步低温塑性变形技术，成功地将纯铜薄片的晶粒尺寸降低到10纳米以下。他们在显微结构下观察发现，这种极细的多晶体中呈现出典型的类似水油不互溶双连续相中常见的流形结构。经系统表征纳米晶粒的尺寸、形态、取向及分布等，他们发现，许多极小晶粒具有规则的Kelvin截角八面体形态，并且存在相当数量的低能界面。结合这些结构特征和分子动力学模拟计算，研究人员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，这种被称为Schwarz-D的界面的平均曲率为零，结构稳定性很强。同时，极细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。


李秀艳表示，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。（中国科学报记者沈春蕾）