Nature:抗蠕变又有强度的纳米晶合金诞生啦

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纳米晶材料，由于晶粒的尺寸大大减小（小于100 nm），其室温下的力学强度大大提高（依据Hall-Petch公式）。然而，伴随着晶粒尺寸变小，抗蠕变性能却有所下降，应力条件下引起蠕变变形的临界温度也会大大降低。纳米材料抗蠕变性能的退化，可以解释为晶粒减小带来的晶胞边界增多，导致纳米金属材料的微观不稳定性，晶粒间更容易发生扩散蠕变，滑动和旋转。这一点限制了纳米晶体材料的应用范围，尤其是在高温领域中的应用。

近日，美国陆军研究实验室的K. A. Darling和亚利桑那州立大学K. N. Solanki等人在Nature上报道了一种新型铜钽合金（Cu-10 at% Ta），这种纳米晶合金材料既能保持高机械强度，又满足高温抗蠕变性能，同时具有热稳定性。（Extreme creep resistance in a microstructurally stable nanocrystalline alloy. Nature, 2016, 537, 378-381, DOI: 10.1038/nature19313）

图片来源：Nature

先来看看作者的材料制备过程，简单整理如下：

1）将制备的铜钽纳米晶粉末（Cu–10 at% Ta）在高能球磨机中低温研磨4小时，球料比5:1，液氮控温-196 °C。

2）通过等通道转角挤压法（equal-channel angular extrusion，ECAE）将粉末压成合金块，模具350 °C预热，粉末700 °C预热（Ar气环境40 min）。制备得到的合金中铜晶粒的平均尺寸为50 ± 17.5 nm，钽晶粒尺寸分布在3.18 ± 0.86 nm到32 ± 7.5 nm之间。

上述步骤需要在手套箱中进行。

稍微解释一下“等通道转角挤压法”，该方法上世纪80年代由前苏联的Segal等人提出，90年代因为被Valiev等人用于亚微米级晶粒尺寸的铝合金制备而引起关注。过程如下图所示，由于加工过程中不改变材料的横截面面积和截面形状，故只需较低的工作压力，就可实现材料的反复定向、均匀剪切变形，制备亚微米级和纳米级晶粒的合金材料。

再来看看该材料的抗蠕变性能。在0.5-0.64 T_m（melting temperature）温度下，施加0.85%-1.2%的剪切模量，Cu-Ta纳米合金表现出低于10^-6s^-1的稳定蠕变速率，该速率比大部分纳米晶金属要低6-8个数量级。同时，通过对纳米铜和纳米铜钽合金的计算，也验证了这一结论。

图片来源：Nature

总结：

本文探索了纳米合金微观结构的抗蠕变性能，设计出同时具备高机械强度和高温抗蠕变的纳米晶合金材料，有望为纳米材料拓展新的应用领域，尤其是在航空航天、军事和能源部门等方向。

小希说：

文章不长，论证也不复杂，纳米晶的研究热度虽高，但是从直接制备高温抗蠕变的纳米合金角度来研究，让人读起来也觉得耳目一新。并且，文中充满了一种实用性的味道，希望研究能早日有所建树。

http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7620/full/nature19313.html

（本文由小希供稿）