納米金屬由于引入了大量的晶界而導(dǎo)致穩(wěn)定性差。一般而言，納米晶的晶粒長大溫度遠(yuǎn)低于粗晶的再結(jié)晶溫度，一些納米晶純金屬甚至在室溫下即發(fā)生長大。穩(wěn)定性差已經(jīng)成為限制納米金屬制備和應(yīng)用的主要瓶頸。傳統(tǒng)的穩(wěn)定納米晶方法主要是通過合金化來降低界面能或?qū)Ы邕w移形成拖曳作用。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心納米金屬科學(xué)家工作室近年來在納米金屬的穩(wěn)定性方面開展了系統(tǒng)的研究工作。2018年，工作室研究人員在塑性變形制備的納米晶純銅和純鋁中發(fā)現(xiàn)了納米晶熱穩(wěn)定性的反常晶粒尺寸效應(yīng)，即小于臨界尺寸，隨著晶粒尺寸減小，材料的變形機(jī)制由全位錯主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗诲e主導(dǎo)，晶界弛豫機(jī)制啟動，納米晶的穩(wěn)定性不降反升（Science， 360， 2018）。隨后，他們發(fā)現(xiàn)，盡管與加熱條件下的晶界遷移的內(nèi)在機(jī)制不同，納米晶的在受力條件下的機(jī)械穩(wěn)定性也存在這種反常晶粒尺寸效應(yīng)（Phys Rev Lett， 122， 2019）。該項研究被Science以“A size limit for softening”為題推選為亮點工作（Science， 364， 2019）。

據(jù)了解，在一些納米金屬，如純銅中，納米晶粒甚至在室溫條件下即發(fā)生長大。這種固有的不穩(wěn)定性一方面給納米金屬材料的制備帶來困難，另一方面也限制了納米金屬的實際應(yīng)用。

該研究還發(fā)現(xiàn)，納米晶這一反常穩(wěn)定不只在純銅這樣的中低層錯能金屬中發(fā)生，在高層錯能純鎳中也同樣存在。超高穩(wěn)定性納米晶的發(fā)現(xiàn)，不僅對于我們理解納米晶的變形機(jī)制以及晶界在納米尺寸下的行為非常重要，同時也展示了發(fā)展高溫使用的納米晶的可能性。

然而，目前常用的嚴(yán)重塑性變形方法（如等通道擠壓、疊軋等）制備的純金屬，其晶粒尺寸通常在亞微米尺度，很難在加工過程中啟動晶界弛豫機(jī)制。例如，嚴(yán)重塑性變形制備的純銅晶粒尺寸多處于100-200 nm，穩(wěn)定性較差，其晶粒長大溫度遠(yuǎn)低于粗晶。近期，工作室李秀艷等人的研究發(fā)現(xiàn)，利用快速升溫可以在納米晶銅中引入退火孿晶，從而實現(xiàn)納米晶晶界的“熱弛豫”，提高納米晶的熱穩(wěn)定性。在納米晶銅中引入退火孿晶面臨的一個難題是：不穩(wěn)定的納米晶，其晶粒長大穩(wěn)定度僅為393 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于退火孿晶產(chǎn)生的溫度（——523 K），加熱過程中未等產(chǎn)生孿晶，晶粒先已長大。研究人員依據(jù)Kissinger效應(yīng)，提出增加升溫速率，可以提升晶粒長大溫度，而不影響孿晶生長溫度。因此，采取快速升溫既避免了晶粒長大，又可產(chǎn)生生長孿晶。將晶粒尺寸80 nm左右的純Cu，以160 K/min的速率快速升溫至523 K保溫15 min再冷卻，材料晶粒尺寸沒有明顯變化，而孿晶數(shù)量明顯增加。與變形孿晶一樣，這些生長孿晶也可以弛豫晶界，增強(qiáng)納米晶的熱穩(wěn)定性。熱處理后，納米晶的明顯長大溫度從原來的低于393 K升高至773 K以上。

快速升溫提高納米晶穩(wěn)定性的熱弛豫方法可以用于提高一般嚴(yán)重塑性變形所獲得的亞微米和納米晶的穩(wěn)定性，對于發(fā)展高穩(wěn)定納米材料和推動納米金屬的應(yīng)用具有重要意義。該項工作發(fā)表于Science Advances， 6，（2020）。

該工作受到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金以及中國科學(xué)院項目支持。

圖1. 快速加熱穩(wěn)定納米晶銅。（A）制備態(tài)樣品及分別以不同升溫速率（1，80，160K/min）加熱至523K的樣品的表層梯度納米結(jié)構(gòu)的典型橫截面掃描電鏡照片。（B-D）制備態(tài)樣品及不同升溫速率加熱處理后的樣品中距表面——25μm深度處納米晶典型透射照片（對應(yīng)深度如圖A中虛線框所示，該深度處制備態(tài)樣品平均晶粒尺寸約為80nm）。（E）以不同升溫速率加熱至523K處理后的樣品中表層穩(wěn)定納米晶對應(yīng)晶粒尺寸范圍。圖中實心和空心圓點分別代表實驗觀察到穩(wěn)定納米晶層的上下界所對應(yīng)晶粒尺寸，虛線表示制備態(tài)樣品在523K熱處理時穩(wěn)定納米晶的平均晶粒尺寸上界（D*——60nm），誤差棒指平均晶粒尺寸的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)誤差。

圖2. 快速加熱后納米晶內(nèi)部形成大量孿晶且晶界平面化。（A）圖1D中所示區(qū)域內(nèi)納米晶的典型高分辨照片，左上角插圖為晶粒中納米孿晶的原子像圖片。（B， C）制備態(tài)樣品和以160K/min升溫速率加熱至523K處理后樣品中典型晶界特征分布。不同顏色代表不同類型晶界，紅色為孿晶界，灰色為小角晶界，黑色為普通大角晶界，其他顏色為其他特殊重位點陣界面（Σ 《 29）。（D， E）圖1D所示區(qū)域內(nèi)的典型晶界高分辨照片，左上角插圖為紅色實線框放大圖。

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