作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 极细晶粒铜样品的显微结构
(一)典型的明场透射电镜图像
(二)(左)在(一)中选定区域的放大图像
虚线表示{111}平面，实线表示CTB
(右)在左侧面板中标注的颗粒(G1、G2、G3、G4和G5)的相应快速傅立叶变换图像
G-All表示所有颗粒，右侧有示意图
(三)典型的高分辨率透射电镜图像
(四)进动电子衍射分析在(三)区域获得的典型反极图(IPF)图像
数字表示GBs的错误取向角
两个微小颗粒之间的典型结构单元型边界
学分:理科，doi: 10
1126/科学
abe1267 具有纳米级晶粒的金属非常坚固，尽管它们在更高的温度下不能保持其结构
因此，在材料应用过程中探索它们的高强度具有挑战性
在《科学》杂志上发表的一份新报告中，X
Y
中国科学院和上海交通大学的李和一组材料科学与工程科学家在铜(Cu)中发现了一种10纳米晶粒的最小界面结构，他们将这种结构与纳米晶粒结晶孪晶网络结合起来，在熔点以下的温度下保持高强度
这一发现为冶金和材料工程应用提供了获得稳定纳米颗粒金属的不同途径
锁定纳米级强度 金属以多晶固体形式存在，由于其无序的晶界而在热力学上不稳定，当晶界被消除而最终形成单晶时，金属往往更稳定
利用实验和分子动力学模拟李等
发现了一种不同类型的亚稳态，适用于极细晶粒的多晶纯铜
对于具有足够高的晶界密度的细晶粒多晶来说，转变成亚稳态非晶态是稳定化的替代选择，并且从热力学的观点来看是可以预见的
然而，在常规条件下，对于大多数金属合金和纯金属来说，这种非晶态很少形成，因此，当多晶晶粒被稳定地细化到极小的尺度时，是否可以采用其它亚稳态结构仍有待理解
纳米级的亚稳态 例如，当铜(铜)和镍(镍)的晶粒通过塑性变形被细化到几十纳米的尺寸时，该过程可以触发自主晶界弛豫进入具有晶界离解的低能状态
纳米颗粒结构可能因此通过接近颗粒尺寸极限而进化成更稳定的状态
利用实验和分子动力学模拟，李等
在晶粒尺寸为几纳米的多晶纯铜中发现了一种亚稳态，这种亚稳态是由晶界演化成由孪晶界网络约束的三维最小界面结构而形成的
具有截顶八面体几何形状的单个晶粒的高分辨率透射电子显微镜图像
约2纳米大小的微小颗粒
(二)理想截顶八面体的一部分，有1154个原子(顶部)，沿[110]轴旋转49°(右下)
(001)平面(左下方)上的投影原子位置与(A)中的透射电镜图像一致(其中只有边界原子以橙色显示)
对比度模糊的角原子用(A)圈出
(三)含孪晶的晶粒
由11，817个原子组成的理想截顶八面体(顶部)，旋转25°
5关于引入双胞胎后的011轴(右下角)
投影的原子位置(左下角)与(C)中的透射电镜图像一致(其中仅显示橙色的边界原子和红色的双边界原子)
缺角用(C)中的橙色箭头表示
两种含有堆垛层错和孪晶的晶粒
(六)两个不同大小的截顶八面体颗粒，其投影原子位置与(五)中的透射电镜图像一致
学分:理科，doi: 10
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abe1267 在实验过程中，研究小组采用表面机械研磨处理和液氮高压扭转的两步塑性变形工艺，提炼出纯度为99%的多晶铜
纳米级97重量百分比
利用明场透射电子显微镜，李等
获得极细颗粒的图像，其中样品表现为不规则的聚集体或相互连接形成连续网络的链
聚集体由几个几纳米大小的单个颗粒组成
微小的微晶通过原子般薄的边界相互连接，研究小组没有发现无定形相或孔隙
表征颗粒 李等
通过在高分辨率透射电子显微镜下倾斜样品来表征材料的单个颗粒，以解析它们的晶格图像，并识别许多单个颗粒的不同几何形状
颗粒的形状像一个截断的八面体；对于小于10纳米的颗粒，这是一个有利的选择
研究小组通过不同温度下的等温退火，测定了平均晶粒尺寸为10纳米的铜样品的热稳定性
李等
在退火晶粒中检测到更多的孪晶，这可能是由于在高温退火过程中晶界进一步解离
通过将温度提高到1357 K以上，科学家们引发了融化，在这一点上所有的纳米颗粒都消失了
然后，他们准备了另一个样品，其颗粒较大，用于与相同的过程进行比较，但应变较小
观察结果支持这样的观点，即晶粒尺寸较小的多晶晶界弛豫将提高稳定性
通过纳米压痕实验，他们注意到多晶结构中极其精细的晶粒具有非同寻常的稳定性
极高的热稳定性和强度
初始平均晶粒尺寸分别为50纳米、25纳米和10纳米的三个样品的晶粒尺寸随退火温度的变化
每个粒度点的平均值大于300粒
样品在1348℃退火15分钟后的透射电镜图像，初始晶粒尺寸为10纳米
(三)(二)中颗粒的高分辨率透射电子显微镜图像
红线表示双边界
纯铜晶粒粗化温度(TGC)和强度与晶粒尺寸的关系
包括通过各种工艺制备的铜样品的文献数据
非晶态铜合金的数据来自参考文献
Tm，铜的熔点；tmax，铜的理想剪切强度
每个晶粒粗化温度由三个独立的实验获得，每个强度数据由10个独立的实验获得
经历
，实验；SMGT，表面机械研磨处理；IGC，惰性气体冷凝；ECAP，等通道转角挤压；HPT，高压扭转；DPD，动态塑性变形；ED(NT)，电沉积(纳米孪晶)；冷轧
学分:理科，doi: 10
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abe1267 开发原子模型 研究小组随后建立了一个原子模型来研究极细的铜颗粒的出色稳定性
为了实现这一点，他们参照开尔文模型构建了一个扩展的开尔文超晶格，其中有16个等尺寸的截顶八面体形状的晶粒，并认识到了晶界网络的基本特征
该团队还选择了初始晶粒尺寸为3的扩展开尔文多晶
27纳米作为简单的起始结构，并进行分子动力学模拟，通过在不同的目标温度下加热来松弛样品
在分子动态弛豫和随后的加热过程中，扩展开尔文多晶中的晶界通过各种事件转变成不同的结构
虽然由于晶界迁移，一些晶粒在加热时收缩并最终消失，但整个晶界网络并没有崩溃，而是融合并发展成不同的形式，在拓扑上类似于施瓦茨表面(三维周期性表面)
根据分子动力学结果，这种转变是热力学驱动的
此外，具有施瓦茨界面的多晶结构比开尔文多晶更稳定
施瓦茨晶体的原子模型和分子动力学模拟
(一)原始开尔文模型的两个理想截断八面体等体积(K1和K2)在1乘1包装(左上角)
使用4×4堆积开尔文模型(初始晶粒尺寸，6
6 nm)
一个空间填充的三维CTB网络被构建为具有针对单个颗粒的特定晶格取向(参见补充材料)
(乙)(左)分子动力学获得的双界多晶结构在0 K，证明了2乘2乘2的超晶格，其中原子在面心立方晶格位置被删除
(右)类似于1×1×1超晶格中的施瓦茨界面的GBs
(三)施瓦兹晶体的截面图，显示了受CTB网络约束的施瓦兹千兆位晶体
(四)纵向获得的屈服应力作为温度的函数
误差线量化了由速率效应和热波动引起的不确定性
学分:理科，doi: 10
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abe1267 施瓦茨三维结构的作用 在这项工作中获得的施瓦茨结构在高温下保持稳定
随着熔点的接近，晶界变粗糙而不是变粗；此时液相在1321 K非均匀成核，表明上限热稳定性受晶界熔化的动力学限制
该小组在不同温度和应变下对相干双边界(CTB)约束的施瓦茨结构进行了单轴拉伸载荷试验
他们将观察到的变形的主要模式归因于孪晶，对应于初始孪晶的临界应力与温度有关
开尔文多晶向施瓦茨晶体的转变
(一)上图:所示三种温度下开尔文超单体的分子动力学快照；下部:网状GBs的演变
(二)施瓦茨晶体冷却到1K后
fcc晶格位置的原子被去除以获得更好的可视化效果
(c)上限:MD获得的量热曲线:作为温度函数的每原子势能(Ep)和原子体积(),转变发生在约640 K，结束于约730k；下:用共邻分析统计得到的晶界和相干孪晶界原子的分数
学分:理科，doi: 10
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abe1267 施瓦兹晶体在材料发展中的前景 这样，基于实验和分子动力学模拟，X
Y
李和他的同事们证实了纳米晶粒的多晶铜具有显著的稳定性
他们将观察到的结构称为施瓦茨晶体——多晶固体的一种不同类型的亚稳态，与非晶固体状态有着根本的不同
通过激活纳米尺度的孪晶机制，施瓦茨晶体有望出现在不同的金属和合金中
纯铜施瓦茨晶体包含非常高的界面密度，显示出与单晶一样高的热稳定性，并且比无定形固体高得多
该结构将为探索金属的物理和化学现象提供新的机会，这些现象与材料科学中界面处以及高温下缺陷相互作用过程中原子和电子的输运动力学有关
施瓦茨晶体提高了稳定性和强度，晶粒以极细的尺度细化
这项工作将有助于克服传统材料发展战略所面临的困难
施瓦兹晶体也可以在其他材料中使用，为高温应用开发坚固稳定的材料提供了不同的方向
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