金海军课题组：晶界-表面截交线对强度的作用研究取得重要进展

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作为两种面缺陷间的几何交线，表面-晶界截交线（surface triple junction或STJ）是多晶体材料表面上的常见线缺陷。在块体材料中，位于STJ的原子体积分量极低，其对材料整体强度的贡献几乎可以忽略。随着材料尺寸降低至亚微米甚至纳米尺度（如薄膜、纳米线等），STJ原子体积分量急剧上升。但这一特殊线缺陷是否以及如何影响材料力学性能尚无定论。如何将STJ对材料强度的贡献从表面及晶界效应中分离出来也是一个巨大挑战。
　　最近，金属所沈阳材料科学国家研究中心金海军研究员团队在这一问题上取得进展。该团队在电化学环境下进行原位压缩实验，比较纳米晶和粗晶纳米多孔金属的力学行为，成功分离出纳米金属强度的STJ效应，并确定其开始发挥作用的临界尺寸。相关成果以“Surface triple junction governs the strength of a nanoscale solid”为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

　　图1：纳米晶纳米多孔金的a）TEM图像和选区电子衍射( SAED )图案，b）PED取向图及c）结构示意图。粗晶纳米多孔金d）TEM图像和SAED图案，e）EBSD取向图及f）结构示意图。Surf：固体表面。GB：晶界。STJ：表面-晶界截交线。

　　图2：a）电化学控制原位压缩实验装置示意图，b）典型的纳米晶纳米多孔金随表面状态改变的原位压缩曲线，c）纳米晶和粗晶纳米多孔金氧吸附产生的流变应力变化幅度随孔棱尺寸的变化规律。

　　该研究采用两种特征样品：一种是含有大量表面、晶界和STJ的纳米晶纳米多孔金样品；另一种是含有大量表面，但晶界与STJ极少的粗晶纳米多孔金样品。由于晶界对电化学修饰不敏感，通过电化学控制表面状态并观察其对强度的影响，即可在纳米晶纳米多孔金中测得“STJ效应+表面效应”，即STJ与表面对强度的共同作用；作为参照实验，在粗晶纳米多孔金中则可测得“表面效应”。比较“STJ效应+表面效应”与“表面效应”，发现两者在百纳米以上基本重合，而在百纳米以下显著分离（见图2）。这说明在约100纳米以下，STJ开始对材料强度发挥作用。透射电镜等实验表明，STJ有可能作为位错的优先形核位置影响纳米材料变形行为与力学性能。本研究表明STJ以及更广义上的三叉晶界线并非简单的面缺陷间几何交线，而是影响材料性能的重要结构参量。该研究为理解纳米金属力学行为，实现力学性能的控制与优化提供重要信息。
　　该工作由张烨元博士研究生（第一作者）、解辉特别研究助理、刘凌志副研究员和金海军研究员（通讯作者）共同完成。该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。


        文章来源：金属所
       金海军，中国科学院金属研究所研究员。1997年毕业于浙江大学材料系，获金属材料及热处理专业学士学位。2004年于中国科学院金属研究所获得材料学博士学位，毕业后留所任助理研究员。2005年至2010年在德国卡尔斯鲁厄研究中心纳米技术研究所从事博士后研究，其间曾获德国洪堡基金会资助。2010年7月入选中科院“百人计划”项目，回到金属所任研究员和创新课题组组长。目前主要研究方向为纳米多孔金属材料的制备和表征、力学性能、以及表面诱发电化学驱动、力性往复调节等功能应用探索。研究成果发表于Science，Acta Mater.，Nano Lett.等期刊。