近期，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)家工作室李秀艷等人研究發(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。該成果于4月24日發(fā)表在《科學(xué)》子刊《科學(xué)進展》。
研究發(fā)現(xiàn)，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重塑性變形所獲得的亞微米和納米晶的穩(wěn)定性，這對于發(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。
研究人員依據(jù)基辛格效應(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納米左右的純銅，以160K（開）/分鐘的速率快速升溫至523開保溫15分鐘再冷卻，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開升高至773開以上。
目前，常用的嚴重塑性變形方法如等通道擠壓、疊軋等工藝制備的純金屬，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制，如嚴重塑性變形制備的純銅晶粒尺寸多處于100~200納米，穩(wěn)定性較差，其晶粒長大溫度遠低于粗晶。
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，他們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)。2019年，他們在研究發(fā)現(xiàn)，盡管與加熱條件下的晶界遷移的內(nèi)在機制不同，納米晶在受力條件下的機械穩(wěn)定性也存在這種反常晶粒尺寸效應(yīng)。