7月6日，Science Advances在线发表了材料学院张泽院士团队、王江伟研究员小组和美国匹兹堡大学毛星原教授的合作研究成果《体心立方金属铌纳米线中取向转动协调的超塑性变形》（Consecutive crystallographic reorientations and superplasticity in body-centered cubic niobium nanowies）。他们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。
随着微机电系统（MEMS）的小型化，强度高、变形能力突出的金属纳米线得到业内的不断关注，被认为是构筑纳米尺度机电器件的重要材料。然而，材料临界尺寸的下降使得金属纳米线表现出了与块体材料截然不同的变形行为。近年来，微纳尺度力学实验和分子动力学（Molecular Dynamic, MD）模拟指出，随着尺寸的减小，金属纳米线中控制塑性变形的主要机制发生了明显的改变，甚至出现了许多新的塑性变形载体，极大的丰富了人们对纳米力学行为的认知。但是，由于体心立方（Body-centered Cubic, BCC）金属的熔点较高，难以通过传统的化学合成方法制备出BCC结构的金属纳米线，使得目前大部分的实验研究都只能围绕面心立方（Face-centered Cubic, FCC）金属纳米线开展，而BCC金属纳米线力学性能的探索大部分仍停留在计算模拟阶段。
相比于FCC结构材料，BCC块体金属材料室温下的塑性变形通常由螺位错控制，而螺位错的非平面核结构使得其在运动过程中要克服较大的点阵阻力，决定了BCC金属强度高、韧性差的宏观机械性能。对于BCC金属纳米线而言，特别是100纳米以下的纳米线，尽管MD模拟和极少数实验指出：孪生或相变将成为塑性变形的主要载体，但是由于几何尺寸的约束，纳米线的塑性变形仍然由单一机制主导，使得纳米线的变形能力受到了极大的限制；是否可以通过激发多重变形机制来提高纳米线的变形能力是大家普遍关注的热点问题。
在细致分析了上述研究现状后，该研究小组采用了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，研究人员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。该研究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。
博士生王倩男是该工作的第一作者，通讯作者为王江伟研究员和毛星原教授。本研究得到了自然科学基金委和中央高校基本科研业务专项基金等的资助。
图1. 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%。
文章链接: http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaas8850
