快速升温实现纳米晶界“热弛豫”

日前，中科院金属所沈阳国家材料科学研究中心纳米金属科学家研讨会研究员李秀妍等人发现，退火孪晶可以通过快速升温引入纳米晶铜，从而实现纳米晶界面的“热弛豫”，提高纳米晶的热稳定性。这项工作发表在4月24日的《科学进步》杂志上。

目前，纯金属的晶粒尺寸是通过常见的剧烈塑性变形方法(如等通道挤压、重叠轧制等)制备的。)通常为亚微米级，并且在加工过程中很难引发晶界弛豫机制。例如，通过剧烈塑性变形制备的纯铜通常具有100 ~ 200 nm的晶粒尺寸，并且稳定性差。其晶粒生长温度远低于粗晶。

由于这个原因，研究人员采用了快速升温的方法来避免晶粒生长并产生生长孪晶。具体而言，将粒度约为80纳米的纯铜以160开尔文(K)/分钟(min)的速率快速加热至523千分钟，然后冷却15分钟。材料的晶粒尺寸没有显著变化，但孪晶数量显著增加。像变形孪晶一样，这些生长孪晶可以放松晶界并增强纳米晶体的热稳定性。热处理后，纳米晶的表观生长温度从393 K以下提高到773 K以上..

李秀妍告诉《中国科学报》:“快速升温以提高纳米晶稳定性的热弛豫方法可用于提高亚微米和一般剧烈塑性变形所得纳米晶的稳定性，这对于开发高稳定性纳米材料和促进纳米金属的应用具有重要意义。”

近年来，沈阳国家材料科学研究中心纳米金属科学家工作室对纳米金属的稳定性进行了系统的研究。2018年，工作室的研究人员发现了通过塑性变形制备的纯铜和纯铝中纳米晶体热稳定性的异常晶粒尺寸效应，即小于临界尺寸。随着晶粒尺寸的减小，材料的变形机制从完全位错转变为不完全位错，晶界弛豫机制开始出现，纳米晶的稳定性不是降低而是增加。

后来，他们发现，尽管加热下晶界迁移的内部机制不同，但纳米晶体在应力下的机械稳定性也有这种异常的晶粒尺寸效应。这项研究被《科学》杂志选为2019年的亮点。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz8003