Science: 在微立方塊銀單晶中形成梯度納米結構

【引言】

對材料科學家來說，追求材料的更高強度之路是永無止盡的，但是，目前的超強材料一般具有很致命的缺點——容易發生應變集中而導致塑性差、易斷裂，使得超強材料的應用范圍非常局限。近年來，興起的梯度晶體結構材料是一種很有應用前景的研究方向，這種材料的特點是具有晶粒尺寸從材料基體到表面逐漸減小到納米級的梯度結構，這種結構能夠有效的結合納米晶的高強度和粗晶的高塑性，達到傳統均勻材料沒有的優異力學性能。經過十多年的發展，咱們材料科學家們腦洞大開，為制備不同尺寸和成分的材料的梯度結構，已經研發出各種各樣的方法和裝置，其基本原理都是一致的，即通過對材料表面施加高應變速率的變形加工，使表層結構具有一定晶粒梯度。

從另一個角度來說，材料在高速沖擊下的變形機理，不僅有很大的理論研究空白，也對高速汽車和飛機的保護技術開發有很重要的意義。目前，對于超細晶和納米晶的沖擊研究，主要使在微柱上進行準靜態加載，不能對小樣品在更短的時間尺度上進行研究。那么，如果將高速沖擊應用到梯度材料的制備會碰撞出怎樣的火花呢？下面將由小編為大家介紹一篇Science最新的相關研究報道。

【成果簡介】

美國萊斯大學的Ramathasan Thevamaran和Edwin L. Thomas教授（共同通訊作者）等人利用自下而上籽晶生長法合成出邊長約1μm的Ag單晶立方塊，通過激光彈射沖擊裝置讓Ag單晶立方塊以400m/s的超音速沖擊硅基體，在高速應變率和應變梯度下，形成了超細納米晶和梯度結構。該項研究揭示了高速沖擊下的變形機理以及晶體取向的影響，更為研發高強度、高韌性的具有工程應用價值的梯度納米材料開拓了一種新的思路。該成果有望應用于制造飛機和宇宙飛船上的某些結構件。

【圖文導讀】

圖1：激光彈射沖擊裝置及Ag單晶微立方塊變形前后的形貌

(A) 激光彈射沖擊裝置示意圖；

(B) Ag單晶微立方塊的SEM圖像；

(C-E) Ag單晶微立方塊分別沿[100], [110], [111]方向高速沖擊硅基體后的俯視圖（C1, D1, E1）和60°傾角側視圖（C2, D2, E2），圖中標尺均為1μm；

(F) Ag單晶微立方塊沿[100]方向高速沖擊的變形過程示意圖。

圖2：表征Ag立方塊沖擊變形模式和梯度納米結構的形成

(A) 在沖擊變形后20小時，表征了Ag單晶微立方塊沿[100]方向高速沖擊變形后的截面TEM明場像（截面位置在插圖白色虛線處）；

(B) 在(A) 圖中不同區域的選區電子衍射花樣，表明隨著應變的增加（從B1到B4），內部晶體結構從單晶逐漸變成納米多晶結構；

(C) 在(A) 圖中底部C區域的高分辨TEM照片，可以明顯看出形成了超細納米晶；

(D) 在(C)中D區域的更高倍率的高分辨TEM照片；

(E) 在(A) 圖中頂部E區域的高分辨TEM照片，插圖顯示了一個非共格孿晶界，該區域的快速傅里葉變換(FFT)也顯示出孿晶斑點。

圖3：Ag立方塊在沖擊變形8天后發生了部分再結晶

(A) 在沖擊變形后8天后，表征了Ag單晶微立方塊高速沖擊變形后的截面掃描透射電子顯微明場像(BF-STEM)（截面位置在插圖白色虛線處）；

(B) 在(A)圖中B區域放大TEM照片，顯示出納米晶已經發生了再結晶長大；

(C) 在(B)圖中C區域的放大TEM照片，顯示出尺度更小的亞晶結構；

(D) 在(A)圖中D區域放大TEM照片，可以看到密集排列的滑移帶；

(E) 在(A)圖中相應區域的衍射花樣，分別展示出單晶(E1)、納米晶(E2)和超細納米晶(E3)的特征。

圖4：Ag立方塊在沖擊變形后放置44天，發生了完全再結晶

(A) Ag單晶微立方塊的截面SEM照片（截面位置在插圖白色虛線處），由于晶粒取向不同顯示出不同的襯度；

(B) 環形暗場掃描透射電子圖像(Annular darkfield-STEM image)顯示出再結晶形貌，黃點所在區域進行會聚電子衍射(CBED)得到該晶粒的取向，從而計算出各個相鄰晶粒之間的取向差，在圖中藍色數字標出；

(C) 在(B)圖中C區域的選取電子衍射花樣，注意到剛沖擊變形完的時候，該區域的衍射花樣還是大變形特征，經過44天以后已經是完整的單晶結構了，從而說明了該區域已經發生了完全再結晶。

【小結】

此次研究運用了嶄新的激光彈射沖擊裝置使Ag單晶立方塊內部得到了高梯度的納米細晶結構，并且通過精細地分析表征研究了沖擊變形的微觀機理，以及不同的晶體取向對沖擊變形的影響。這種方法制備出的晶粒梯度比咱們盧柯院士表面納米化SMAT等方法制備出來的還要高！小編認為這是這篇文章的亮點，但是美中不足的是，這種梯度結構會隨著時間而發生再結晶長大，作者也很坦誠的交代和分析了這一點，還相信以后可以通過添加合金元素等方法抑制其再結晶的發生。總之，這篇文章對梯度材料和高速沖擊的研究都做出了一定的貢獻，相信未來一定還會有性能更加優異的材料和方法涌現出來。

文獻鏈接：Dynamic creation and evolution of gradient nanostructure in single-crystal metallic microcube (Science，2016，DOI:10.1126/science.aag1768）

本文由材料人編輯部金屬材料學術組WDY供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。
材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com。