浙江大学张泽院士团队王江伟研究员Sci. Adv.:体心立方金属纳米线的超塑性变形

【引言】

体心立方（body-centered cubic, BCC）结构的金属纳米线具有优异的力学性能和出色的耐高温性能，有望被用于构筑苛刻条件下服役的微纳器件。然而，由于现有实验技术的限制，BCC金属纳米线的力学性能及其变形机制的研究仍然十分匮乏。特别是对于100纳米以下的纳米线而言，由于几何尺寸的限制，金属纳米线的塑性变形通常由单一机制主导，极大的限制了纳米线的变形能力。是否可以通过激发多重变形机制来提高纳米线的塑性变形能力是大家普遍关注的热点问题。

【成果简介】

近日，浙江大学材料科学与工程学院张泽院士、王江伟研究员和美国匹兹堡大学毛星原教授等人，利用先进的球差校正电子显微镜结合力-电耦合原位样品杆，对原位制备的纳米线进行力学加载，观察到了体心立方金属铌（Niobium, Nb）纳米线的超塑性变形行为。本文利用先进的球差校正电子显微镜结合力-电耦合原位样品杆，对原位制备的纳米线进行力学加载，观察到了体心立方金属铌（Niobium, Nb）纳米线的超塑性变形行为，并通过追踪变形过程中晶体结构的演变，进一步揭示了多重变形机制协同调控的取向转变过程及其对纳米线力学性能的贡献，为金属纳米线性能的优化及应用提供了关键依据。相关成果以“Consecutive crystallographic reorientations and superplasticity in body-centered cubic niobium nanowires”为题发表在Science Advances上。

【图文导读】

图1 Nb纳米线中变形诱导的BCC-FCC-BCC相变

(A) 原位制备的直径约为15nm的Nb纳米线的高分辨图；

(B) 在沿[03-1]方向拉伸变形过程中，粉色虚线区域内发生[001]-BCC Nb向[011]-FCC Nb转变；

(C) 蓝色虚线区域内发生[011]-FCC Nb向[111]-BCC Nb转变；

(D) 随着相界面的扩展，Nb纳米线发生BCC-FCC-BCC连续相变，取向由初始的[001]转变为[111]；

(E-G) BCC-FCC-BCC相变的FFT图；

(H) BCC-FCC-BCC相变过程中晶体点阵转变示意图；

(I-J) 用Bain模型描述BCC-FCC及FCC-BCC相变的晶体结构示意图。

图2 Nb纳米线中变形孪晶引起的取向转动

(A) 初始直径为13.7 nm的Nb纳米线的高分辨图；

(B) 在沿[-12-1]方向施加拉应变的过程中，变形孪晶由自由表面形核并横向贯穿整根纳米线；

(C) 随着应变的不断加载，变形孪晶逐层增厚；

(D-G) 初始直径为14.7 nm的Nb纳米线沿[-12-1]拉伸过程中，同样观察到变形孪晶的形核及生长。

图3 Nb纳米线中位错滑移造成的晶体取向转动

(A-I) 位错持续在表面不同位置形核后沿(01-1)密排面滑出纳米线，使得Nb纳米线的取向发生连续转动；

(J) 在Nb纳米线断裂前观察到的4个原子组成的原子链；

(k) 通过位错滑移发生晶体取向连续转动的机制示意图。

图4单晶Nb纳米线变形过程中的连续取向转变和超塑性变形行为

(A) 原位焊接制备的直径为13.7纳米的Nb纳米线；

(B) 相变诱导的[100]BCC-[110]FCC-[111]BCC取向转变；

(C) 孪生引起的取向转变；

(D-F) 位错滑移导致的晶体取向转动；

(G) 多次取向转变后，Nb纳米线的伸长率达到269%。

【小结】

本文采用了BCC结构的金属Nb作为模板材料，从原子尺度上揭示了金属Nb纳米线的超塑性变形行为及机制。首先，采用原位焊接技术在电镜中获得直径10~29纳米Nb单/双晶金属纳米线；通过控制原位样品杆的可动端对目标纳米线施加应变，与此同时，借助高速相机实时记录变形过程中Nb纳米线晶体结构的动态演变。研究发现在单晶Nb纳米线的拉伸变形过程中，应力诱导的BCC-FCC-BCC相变、孪晶和位错滑移在同一根纳米线中次第发生，不断改变着纳米线的晶体学取向；而纳米线晶体取向的改变又进一步影响着后续变形机制的启动；最终，通过多重变形机制的协同作用，实现了伸长率高于269%的超塑性变形。本文借助先进的原位电镜技术，深入分析了Nb纳米线中相变、孪生和位错运动引发的晶体取向变化过程，又从取向转变入手进一步讨论了影响变形机制转变的潜在因素，为BCC金属纳米线的力学性能优化及应用提供了新的实验参考。

文献链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaas8850

本文由王江伟团队供稿，材料人整理编辑。

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