卢柯院士第11篇Science: 发现纳米金属中存在热稳定性“尺寸效应”

baiyangdian

金属晶粒细化至纳米尺寸可以大幅度提高其强度和硬度，但是由于引入了大量的晶界，纳米金属材料的结构稳定性变低，晶粒长大倾向明显。在一些纳米金属，如纯铜中，纳米晶粒甚至在室温条件下即发生长大。

李秀艳告诉《中国科学报》记者：“这种固有的不稳定性一方面给纳米金属材料的制备带来困难，另一方面也限制了纳米金属的实际应用。”

对于塑性变形制备的纳米晶，其显著不稳定只在一定的晶粒尺寸范围内发生，之后随着晶粒尺寸的降低，其稳定性不降反升。卢柯团队研究发现，低于70纳米晶粒稳定性升高来自于晶界能的自发降低。在塑性变形过程中，70纳米以下，晶界能自发由原来0.52焦/平方米降低至0.23～0.27焦/平方米，这一现象与在该尺寸下全位错不能弓出，晶界通过释放不全位错容纳变形有关。“不全位错的释放改变了晶界的结构，使之向低能状态转变。”李秀艳说。

研究还证实，纳米晶这一反常稳定不只在纯铜这样的中低层错能金属中发生，在高层错能纯镍中也同样存在。卢柯指出：“超高稳定性纳米晶的发现，不仅对于我们理解纳米晶的变形机制，以及晶界在纳米尺寸下的行为非常重要，同时也展示了发展高温使用的纳米晶的可能性。”