重庆大学最新研究成果登上《Nature》 10纳米纯金属强化现象迎来大突破

摘要:

近日,重庆大学的最新研究成果上了《nature》期刊。2 月 24 日,重庆大学材料学院黄晓旭教授团队与北京高压科学研究中心陈斌研究院团队等联合在《nature》上发表了题为 High pressure strengthening in ultrafine-grained metals(超细晶金属的高压强化)的论文,该研究结果是材料科学领域的一大重要进展。

一直以来,材料科学领域都在追求一个目标,即研发出具有更高强度的材料;其中,材料微观组织的特征在一定程度上影响着材料的强度——通常来说, 材料的微观组织单元(称为“晶粒”)越细小,其强度就越高。

然而,在过去的 20 年里,有不少计算机模拟研究和相关实验研究表明,当晶粒小于某个临界尺寸(约 10 到 15 纳米)时,进一步细化晶粒,材料的强度不升反降。科学家们认为,这一现象或许是因为纳米材料中晶粒之间的界面发生了滑动,以致其塑性变形。

不过,由于设备的限制,晶粒尺寸小于 15 纳米的材料性能无法被准确测量,所以,科学家们陷入了一个难题:对于晶粒尺寸更细的纳米金属而言,如何建立起材料强度与晶粒尺寸之间最直接可靠的实验数据。

现在,黄晓旭教授团队与陈斌研究团队找到了解决之道。他们的研究首次将地球科学研究领域的高压实验方法引入到了纳米材料研究中,创造性地解决了之前的技术难题,并首次报道了晶粒尺寸在 10 纳米以下的纳米纯金属的强化现象。

通过对纳米纯金属镍进行高压变形研究,发现该材料的强度随着晶粒尺寸减小持续提高,而且令研究人员更为吃惊的是,晶粒尺寸越小其强化效果越显著。在所研究的最小晶粒尺寸(3 纳米)样品中,获得了 4.2 GPa 的超高屈服强度,比常规商业纯镍强度提高了 10 倍。

此外,塑性计算模拟和透射电子显微镜分析表明,高压变形抑制了纳米材料中的晶界滑动,并促进了起强化作用的晶体缺陷(位错)的储存,从而导致高压细晶强化。

总而言之,这一发现将会进一步刷新人们对纳米材料强化中临界晶粒尺寸现象的认识,重新激发通过调控材料的晶粒尺寸和微观结构获得超强金属的探索。

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