Science: 在微立方块银单晶中形成梯度纳米结构

【引言】

对材料科学家来说，追求材料的更高强度之路是永无止尽的，但是，目前的超强材料一般具有很致命的缺点——容易发生应变集中而导致塑性差、易断裂，使得超强材料的应用范围非常局限。近年来，兴起的梯度晶体结构材料是一种很有应用前景的研究方向，这种材料的特点是具有晶粒尺寸从材料基体到表面逐渐减小到纳米级的梯度结构，这种结构能够有效的结合纳米晶的高强度和粗晶的高塑性，达到传统均匀材料没有的优异力学性能。经过十多年的发展，咱们材料科学家们脑洞大开，为制备不同尺寸和成分的材料的梯度结构，已经研发出各种各样的方法和装置，其基本原理都是一致的，即通过对材料表面施加高应变速率的变形加工，使表层结构具有一定晶粒梯度。

从另一个角度来说，材料在高速冲击下的变形机理，不仅有很大的理论研究空白，也对高速汽车和飞机的保护技术开发有很重要的意义。目前，对于超细晶和纳米晶的冲击研究，主要使在微柱上进行准静态加载，不能对小样品在更短的时间尺度上进行研究。那么，如果将高速冲击应用到梯度材料的制备会碰撞出怎样的火花呢？下面将由小编为大家介绍一篇Science最新的相关研究报道。

【成果简介】

美国莱斯大学的Ramathasan Thevamaran和Edwin L. Thomas教授（共同通讯作者）等人利用自下而上籽晶生长法合成出边长约1μm的Ag单晶立方块，通过激光弹射冲击装置让Ag单晶立方块以400m/s的超音速冲击硅基体，在高速应变率和应变梯度下，形成了超细纳米晶和梯度结构。该项研究揭示了高速冲击下的变形机理以及晶体取向的影响，更为研发高强度、高韧性的具有工程应用价值的梯度纳米材料开拓了一种新的思路。该成果有望应用于制造飞机和宇宙飞船上的某些结构件。

【图文导读】

图1：激光弹射冲击装置及Ag单晶微立方块变形前后的形貌

(A) 激光弹射冲击装置示意图；

(B) Ag单晶微立方块的SEM图像；

(C-E) Ag单晶微立方块分别沿[100], [110], [111]方向高速冲击硅基体后的俯视图（C1, D1, E1）和60°倾角侧视图（C2, D2, E2），图中标尺均为1μm；

(F) Ag单晶微立方块沿[100]方向高速冲击的变形过程示意图。

图2：表征Ag立方块冲击变形模式和梯度纳米结构的形成

(A) 在冲击变形后20小时，表征了Ag单晶微立方块沿[100]方向高速冲击变形后的截面TEM明场像（截面位置在插图白色虚线处）；

(B) 在(A) 图中不同区域的选区电子衍射花样，表明随着应变的增加（从B1到B4），内部晶体结构从单晶逐渐变成纳米多晶结构；

(C) 在(A) 图中底部C区域的高分辨TEM照片，可以明显看出形成了超细纳米晶；

(D) 在(C)中D区域的更高倍率的高分辨TEM照片；

(E) 在(A) 图中顶部E区域的高分辨TEM照片，插图显示了一个非共格孪晶界，该区域的快速傅里叶变换(FFT)也显示出孪晶斑点。

图3：Ag立方块在冲击变形8天后发生了部分再结晶

(A) 在冲击变形后8天后，表征了Ag单晶微立方块高速冲击变形后的截面扫描透射电子显微明场像(BF-STEM)（截面位置在插图白色虚线处）；

(B) 在(A)图中B区域放大TEM照片，显示出纳米晶已经发生了再结晶长大；

(C) 在(B)图中C区域的放大TEM照片，显示出尺度更小的亚晶结构；

(D) 在(A)图中D区域放大TEM照片，可以看到密集排列的滑移带；

(E) 在(A)图中相应区域的衍射花样，分别展示出单晶(E1)、纳米晶(E2)和超细纳米晶(E3)的特征。

图4：Ag立方块在冲击变形后放置44天，发生了完全再结晶

(A) Ag单晶微立方块的截面SEM照片（截面位置在插图白色虚线处），由于晶粒取向不同显示出不同的衬度；

(B) 环形暗场扫描透射电子图像(Annular darkfield-STEM image)显示出再结晶形貌，黄点所在区域进行会聚电子衍射(CBED)得到该晶粒的取向，从而计算出各个相邻晶粒之间的取向差，在图中蓝色数字标出；

(C) 在(B)图中C区域的选取电子衍射花样，注意到刚冲击变形完的时候，该区域的衍射花样还是大变形特征，经过44天以后已经是完整的单晶结构了，从而说明了该区域已经发生了完全再结晶。

【小结】

此次研究运用了崭新的激光弹射冲击装置使Ag单晶立方块内部得到了高梯度的纳米细晶结构，并且通过精细地分析表征研究了冲击变形的微观机理，以及不同的晶体取向对冲击变形的影响。这种方法制备出的晶粒梯度比咱们卢柯院士表面纳米化SMAT等方法制备出来的还要高！小编认为这是这篇文章的亮点，但是美中不足的是，这种梯度结构会随着时间而发生再结晶长大，作者也很坦诚的交代和分析了这一点，还相信以后可以通过添加合金元素等方法抑制其再结晶的发生。总之，这篇文章对梯度材料和高速冲击的研究都做出了一定的贡献，相信未来一定还会有性能更加优异的材料和方法涌现出来。

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

本文由材料人编辑部金属材料学术组WDY供稿，材料牛编辑整理。

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