6月18日，Nature Communications在线发表了浙江大学材料科学与工程学院电镜中心张泽院士、王江伟研究员与浙江大学航空航天学院交叉力学中心杨卫院士、周昊飞研究员等合作的研究成果《小角晶界调控金属纳米结构循环变形》 （Metallic nanocrystals with low angle grain boundary for controllable plastic reversibility）。研究人员提出了一种通过晶界调控实现金属纳米结构可控循环变形的新思路，并以面心立方金属纳米结构为例，结合先进的原位电镜纳米力学测试和分子动力学模拟，系统阐释了金属纳米结构在循环剪切过程中通过小角度晶界分解和晶界位错协同运动实现可逆塑性变形的独特行为。
微纳器件的飞速发展对纳米材料的结构设计和可靠性提出了更高的要求。其中，长期服役过程中应力/应变诱导的不可逆微结构损伤往往导致器件功能退化甚至失效，因此提高纳米结构的循环抗力和损伤容限显得尤为重要。然而，纳米尺度材料变形时极易发生非均匀的缺陷形核（如表面位错形核），大量缺陷的非保守运动容易诱发剪切局域化和结构失稳，使得调控微纳结构材料的可逆塑性变形仍面临诸多挑战。现有技术可通过引入可逆孪生和可逆相变等塑性变形机制实现一定的循环变形能力，然而其适用范围较为有限。探索一条普适的材料微结构设计思路，可控调节金属纳米结构的循环变形行为，对于提升微纳器件的可靠性具有广泛而重要的指导意义。
受块体金属材料疲劳性能的界面调控启发，该课题组研究人员利用原位纳米制备技术将晶界引入纳米结构材料，制备了一系列包含<110>倾转小角晶界的Au纳米双晶体，并开展循环加载测试。在循环载荷作用下，由分解位错构成的小角晶界通过晶界位错的保守滑移从根本上抑制了晶格缺陷的非均匀表面形核，可有效维持金属纳米双晶的结构稳定性，从而实现稳定的循环变形（图1）。分子动力学模拟进一步验证，小角度晶界在500个加载周期后仍然具有稳定的往复迁移能力，且纳米双晶未出现结构损伤（图2）。大量实验和模拟表明，位错型晶界的分解及其可逆迁移行为普遍存在于多种FCC金属的纳米结构中。基于统计分析，研究人员定量确定了8°-24°的理想倾转角区间，在此区间内不同FCC金属纳米双晶中的位错型晶界均可实现稳定、可控的往复迁移，使得纳米双晶表现出良好的循环变形能力（图3）。实验和理论模拟进一步证实，改变纳米双晶长径比、加载速率、加载温度、加载模式（如拉-压）等并不影响纳米双晶体通过晶界往复迁移发生稳定、可控的循环变形（图4）。基于实验观察和理论分析，研究人员提出一种“自下而上”的纳米材料设计新思路，以晶界位错为基本单元，设计具有稳定往复迁移能力的晶界，针对性调控FCC金属纳米结构循环变形能力，为微纳材料的结构设计和损伤控制提供依据。上述发现系统阐明了界面结构设计在微纳结构材料性能调控中的重要意义，对NEMS芯片、柔性器件、减震/能量耗散部件等高性能器件的开发和极端环境中的应用具有重要意义。
本工作得到了国家自然科学基金委的资助。博士生祝祺、黄绮珊和曹广为论文共同一作，王江伟研究员、周昊飞研究员为论文通讯作者，张泽院士、杨卫院士对本工作提出了宝贵指导意见，澳大利亚悉尼大学安祥海博士、美国匹兹堡大学毛星原教授和新加坡南洋理工大学高华健教授参与了本工作。
图1. Au纳米双晶中13.5° [11̅0]小角晶界在循环剪切加载下的往复迁移过程。
图2. 小角晶界的分解与多周期循环剪切载荷下稳定的往复迁移。
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图3. 倾转角连续变化的位错型晶界在FCC金属纳米结构中的循环变形能力。
图4. 晶界结构设计调控金属纳米晶体的循环变形能力。
文献连接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16869-3
