7月6日，Science Advances在線發(fā)表了材料學(xué)院張澤院士團隊、王江偉研究員小組和美國匹茲堡大學(xué)毛星原教授的合作研究成果《體心立方金屬鈮納米線中取向轉(zhuǎn)動協(xié)調(diào)的超塑性變形》（Consecutive crystallographic reorientations and superplasticity in body-centered cubic niobium nanowies）。他們利用先進的球差校正電子顯微鏡結(jié)合力-電耦合原位樣品桿，對原位制備的納米線進行力學(xué)加載，觀察到了體心立方金屬鈮（Niobium, Nb）納米線的超塑性變形行為，并通過追蹤變形過程中晶體結(jié)構(gòu)的演變，進一步揭示了多重變形機制協(xié)同調(diào)控的取向轉(zhuǎn)變過程及其對納米線力學(xué)性能的貢獻，為金屬納米線性能的優(yōu)化及應(yīng)用提供了關(guān)鍵依據(jù)。
隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）的小型化，強度高、變形能力突出的金屬納米線得到業(yè)內(nèi)的不斷關(guān)注，被認(rèn)為是構(gòu)筑納米尺度機電器件的重要材料。然而，材料臨界尺寸的下降使得金屬納米線表現(xiàn)出了與塊體材料截然不同的變形行為。近年來，微納尺度力學(xué)實驗和分子動力學(xué)（Molecular Dynamic, MD）模擬指出，隨著尺寸的減小，金屬納米線中控制塑性變形的主要機制發(fā)生了明顯的改變，甚至出現(xiàn)了許多新的塑性變形載體，極大的豐富了人們對納米力學(xué)行為的認(rèn)知。但是，由于體心立方（Body-centered Cubic, BCC）金屬的熔點較高，難以通過傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法制備出BCC結(jié)構(gòu)的金屬納米線，使得目前大部分的實驗研究都只能圍繞面心立方（Face-centered Cubic, FCC）金屬納米線開展，而BCC金屬納米線力學(xué)性能的探索大部分仍停留在計算模擬階段。
相比于FCC結(jié)構(gòu)材料，BCC塊體金屬材料室溫下的塑性變形通常由螺位錯控制，而螺位錯的非平面核結(jié)構(gòu)使得其在運動過程中要克服較大的點陣阻力，決定了BCC金屬強度高、韌性差的宏觀機械性能。對于BCC金屬納米線而言，特別是100納米以下的納米線，盡管MD模擬和極少數(shù)實驗指出：孿生或相變將成為塑性變形的主要載體，但是由于幾何尺寸的約束，納米線的塑性變形仍然由單一機制主導(dǎo)，使得納米線的變形能力受到了極大的限制；是否可以通過激發(fā)多重變形機制來提高納米線的變形能力是大家普遍關(guān)注的熱點問題。
在細(xì)致分析了上述研究現(xiàn)狀后，該研究小組采用了BCC結(jié)構(gòu)的金屬Nb作為模板材料，從原子尺度上揭示了金屬Nb納米線的超塑性變形行為及機制。首先，研究人員采用原位焊接技術(shù)在電鏡中獲得直徑10~29納米Nb單/雙晶金屬納米線；通過控制原位樣品桿的可動端對目標(biāo)納米線施加應(yīng)變，與此同時，借助高速相機實時記錄變形過程中Nb納米線晶體結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變。研究發(fā)現(xiàn)在單晶Nb納米線的拉伸變形過程中，應(yīng)力誘導(dǎo)的BCC-FCC-BCC相變、孿晶和位錯滑移在同一根納米線中次第發(fā)生，不斷改變著納米線的晶體學(xué)取向；而納米線晶體取向的改變又進一步影響著后續(xù)變形機制的啟動；最終，通過多重變形機制的協(xié)同作用，實現(xiàn)了伸長率高于269%的超塑性變形。該研究借助先進的原位電鏡技術(shù)，深入分析了Nb納米線中相變、孿生和位錯運動引發(fā)的晶體取向變化過程，又從取向轉(zhuǎn)變?nèi)胧诌M一步討論了影響變形機制轉(zhuǎn)變的潛在因素，為BCC金屬納米線的力學(xué)性能優(yōu)化及應(yīng)用提供了新的實驗參考。
博士生王倩男是該工作的第一作者，通訊作者為王江偉研究員和毛星原教授。本研究得到了自然科學(xué)基金委和中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項基金等的資助。
圖1. 單晶Nb納米線變形過程中的連續(xù)取向轉(zhuǎn)變和超塑性變形行為：A. 原位焊接制備的直徑為13.7納米的Nb納米線；B. 相變誘導(dǎo)的[100]BCC-[110]FCC-[111]BCC取向轉(zhuǎn)變；C. 孿生引起的取向轉(zhuǎn)變；D-F. 位錯滑移導(dǎo)致的晶體取向轉(zhuǎn)動；G. 多次取向轉(zhuǎn)變后，Nb納米線的伸長率達(dá)到269%。
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