浙江大學張澤院士團隊王江偉研究員Sci. Adv.:體心立方金屬納米線的超塑性變形

【引?言】

體心立方（body-centered cubic, BCC）結構的金屬納米線具有優異的力學性能和出色的耐高溫性能，有望被用于構筑苛刻條件下服役的微納器件。然而，由于現有實驗技術的限制，BCC金屬納米線的力學性能及其變形機制的研究仍然十分匱乏。特別是對于100納米以下的納米線而言，由于幾何尺寸的限制，金屬納米線的塑性變形通常由單一機制主導，極大的限制了納米線的變形能力。是否可以通過激發多重變形機制來提高納米線的塑性變形能力是大家普遍關注的熱點問題。

【成果簡介】

近日，浙江大學材料科學與工程學院張澤院士、王江偉研究員和美國匹茲堡大學毛星原教授等人，利用先進的球差校正電子顯微鏡結合力-電耦合原位樣品桿，對原位制備的納米線進行力學加載，觀察到了體心立方金屬鈮（Niobium, Nb）納米線的超塑性變形行為。本文利用先進的球差校正電子顯微鏡結合力-電耦合原位樣品桿，對原位制備的納米線進行力學加載，觀察到了體心立方金屬鈮（Niobium, Nb）納米線的超塑性變形行為，并通過追蹤變形過程中晶體結構的演變，進一步揭示了多重變形機制協同調控的取向轉變過程及其對納米線力學性能的貢獻，為金屬納米線性能的優化及應用提供了關鍵依據。相關成果以“Consecutive crystallographic reorientations and superplasticity in body-centered cubic niobium nanowires”為題發表在Science Advances上。

【圖文導讀】

圖1 Nb納米線中變形誘導的BCC-FCC-BCC相變

(A) 原位制備的直徑約為15nm的Nb納米線的高分辨圖；

(B) 在沿[03-1]方向拉伸變形過程中，粉色虛線區域內發生[001]-BCC Nb向[011]-FCC Nb轉變；

(C) 藍色虛線區域內發生[011]-FCC Nb向[111]-BCC Nb轉變；

(D) 隨著相界面的擴展，Nb納米線發生BCC-FCC-BCC連續相變，取向由初始的[001]轉變為[111]；

(E-G) BCC-FCC-BCC相變的FFT圖；

(H) BCC-FCC-BCC相變過程中晶體點陣轉變示意圖；

(I-J) 用Bain模型描述BCC-FCC及FCC-BCC相變的晶體結構示意圖。

圖2 Nb納米線中變形孿晶引起的取向轉動

(A) 初始直徑為13.7 nm的Nb納米線的高分辨圖；

(B) 在沿[-12-1]方向施加拉應變的過程中，變形孿晶由自由表面形核并橫向貫穿整根納米線；

(C) 隨著應變的不斷加載，變形孿晶逐層增厚；

(D-G) 初始直徑為14.7 nm的Nb納米線沿[-12-1]拉伸過程中，同樣觀察到變形孿晶的形核及生長。

圖3 Nb納米線中位錯滑移造成的晶體取向轉動

(A-I) 位錯持續在表面不同位置形核后沿(01-1)密排面滑出納米線，使得Nb納米線的取向發生連續轉動；

(J) 在Nb納米線斷裂前觀察到的4個原子組成的原子鏈；

(k) 通過位錯滑移發生晶體取向連續轉動的機制示意圖。

圖4單晶Nb納米線變形過程中的連續取向轉變和超塑性變形行為

(A) 原位焊接制備的直徑為13.7納米的Nb納米線；

(B) 相變誘導的[100]BCC-[110]FCC-[111]BCC取向轉變；

(C) 孿生引起的取向轉變；

(D-F) 位錯滑移導致的晶體取向轉動；

(G) 多次取向轉變后，Nb納米線的伸長率達到269%。

【小?結】

本文采用了BCC結構的金屬Nb作為模板材料，從原子尺度上揭示了金屬Nb納米線的超塑性變形行為及機制。首先，采用原位焊接技術在電鏡中獲得直徑10~29納米Nb單/雙晶金屬納米線；通過控制原位樣品桿的可動端對目標納米線施加應變，與此同時，借助高速相機實時記錄變形過程中Nb納米線晶體結構的動態演變。研究發現在單晶Nb納米線的拉伸變形過程中，應力誘導的BCC-FCC-BCC相變、孿晶和位錯滑移在同一根納米線中次第發生，不斷改變著納米線的晶體學取向；而納米線晶體取向的改變又進一步影響著后續變形機制的啟動；最終，通過多重變形機制的協同作用，實現了伸長率高于269%的超塑性變形。本文借助先進的原位電鏡技術，深入分析了Nb納米線中相變、孿生和位錯運動引發的晶體取向變化過程，又從取向轉變入手進一步討論了影響變形機制轉變的潛在因素，為BCC金屬納米線的力學性能優化及應用提供了新的實驗參考。

文獻鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaas8850

本文由王江偉團隊供稿，材料人整理編輯。

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