卢柯院士团队：硬度高达2.51GPa！具有受限晶体结构的纳米晶纯铝

晶粒尺寸一直是影响材料性能的关键结构参数之一。通过细化晶粒引入大量晶界，可以阻碍位错运动，从而强化材料。然而，大量研究表明，严重的塑性变形不能无限减小晶粒尺寸。对于低熔点纯铝（Al），当塑性变形将晶粒细化至亚微米尺寸（200-1000 nm）时，进一步增加变形量并不能继续细化晶粒。这主要是随着晶粒尺寸减小，材料的微观结构稳定性显著降低。因此，迫切需要探索制备具有极小晶粒尺寸（＜10 nm）且稳定纳米晶的新方法。

最近的研究表明，对于塑性变形制备的纳米金属材料，当晶粒尺寸小于某一临界尺寸时，全位错无法弓出，晶界通过发射不全位错自发弛豫成低能态，从而晶粒越小越稳定。这一发现为制备稳定的纳米结构金属提供了一种可能性。最新研究还发现，当Cu晶粒尺寸进一步减小至约10 nm左右时，会形成一种由平均曲率为零的极小面和孪晶网络构成的新型亚稳结构，即受限晶体（Schwarz crystal）。这种多晶结构同时具备超高硬度和热稳定性。然而，由于铝的层错能较高，位错扩展形成不全位错需要克服极高的能垒，传统塑性变形条件下不易形成层错或孪晶，很难在纯铝中利用这种转变机制获得极细的稳定纳米晶。因此，期望通过调控塑性变形参数（如温度、应变速率和压力等），在极低温和高压剪切条件下在高层错能的纯铝中实现晶界的自发弛豫，从而突破传统变形的晶粒细化极限尺寸。

在此，中国科学院金属研究所材料科学国家实验室卢柯院士团队在纯铝中引入Schwarz晶体结构。本工作采用低温下的高压扭转制备具有极小晶粒尺寸的纯铝，通过降低变形温度，增加变形压力，可以有效抑制位错的回复，降低位错扩展形成不全位错所需克服的能垒，并激活孪晶变形，从而促进晶粒细化，突破纯铝的晶粒的细化极限。相关工作以题为“Ultrahard and super-stable pure aluminum with Schwarz crystal structure”的研究论文发表在Materials Research Letters上。

原文链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2213729

图1.受限晶体结构铝的微观结构特征：(a)典型的高分辨率透射电子显微镜图片及相应的选区电子衍射；(b)晶粒尺寸分布图；(c)典型HAADF-STEM图，橙色虚线表示{111}晶面，橙色实线表示共格孪晶界面；（d）受限晶体结构的高分辨图；(e)单个晶粒的HAADF-STEM图。

图2.具有极小尺寸纯铝的粗化温度以及屈服强度随晶粒尺寸变化示意图。

本工作利用低温高压强剪切的手段突破了纯铝的晶粒细化极限，制备出了具有受限晶体结构的纯铝，其平均晶粒尺寸为6 nm，其结构如图1所示。在晶粒尺寸为6 nm的样品中观察到圆形晶粒（图1d），其单个晶粒呈现近截角八面体结构（图1e），这表明在纯铝中引入了受限晶体。对具有不同晶粒尺寸的样品进行热稳定性和力学性能研究，其结果如图2所示。弛豫后的纳米晶Al同样存在反常的热稳定性，随着晶粒尺寸的减小，热稳定性反而增加，当引入受限晶体结构时，其热稳定性接近熔点，且遵循“越小越强”的准则，具有受限晶体结构的纳米晶Al的硬度值高达2.51 GPa。而产生这一现象的原因是受限晶体结构由平均曲率为零的极小面和孪晶网络构成，而晶界的迁移速率与曲率成正比，此外，孪晶同样也具有优异的稳定性，对晶界提供一定的约束作用，因而，晶界迁移被抑制，提供了良好的热稳定性和机械稳定性。

图文供稿：中科院金属所卢柯院士团队