导读：本文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，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而实现可逆塑性变形的独特行为。这种“自下而上”的纳米材料设计新思路，为微纳结构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。
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重要而广泛的指导意义。
6月18日，浙江大学材料科学与工程学院张泽院士、王江伟研究员团队与浙江大学交叉力学中心杨卫院士、周昊飞研究员团队合作，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而实现可逆塑性变形的独特行为。该机制在不同的倾转角度、晶体长径比、加载速率、加载温度、加载模式（如剪切和拉压）等条件下都能有效抑制缺陷的非均匀形核和非保守运动，维持纳米结构的循环稳定性。相关成果以“Metallic nanocrystals with low angle grain boundary for controllable plastic reversibility”为题发表在Nature Communications上。
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/articles/s41467-020-16869-3
受块体金属材料疲劳性能的界面调控启发，研究人员利用原位纳米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。以13.5° [1-10]小角晶界为例（图1a），在循环载荷作用下，由位错构成的小角晶界（图1j）通过晶界位错的保守滑移可实现多周次的往复迁移，其间纳米双晶体的几何结构保持稳定（图1a-i）。定量统计结果表明，晶界迁移-剪切位移曲线在循环加载各周次内几乎一致，进一步证实了小角晶界主导的循环变形的稳定性（图1k）。
图1. Au纳米双晶中13.5° [10]小角晶界在循环剪切加载下的往复迁移过程。(a-e) 小角度晶界在第1个加载周期内的往复迁移过程。(f-h) 第2-5个加载周期内小角度晶界的往复迁移。(j) 13.5° [1-10] 小角度晶界的原子结构。(k) 5个循环加载周期内晶界迁移-剪切位移关系的统计。图(a)的标尺为5nm；图(j)的标尺为2nm。
原子尺度分析发现，晶界位错在往复迁移过程中分解成两个Shockley不全位错构成的偶极子，其连续的滑移系分别位于两侧晶粒内，在循环载荷作用下可在两个晶粒内实现连续运动，因而表现出良好的可逆变形行为（图2a-c）。这种小角度晶界的保守迁移行为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。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2f-g）。
图2. (a-c) 13.5° [1-10] 小角度晶界往复迁移过程中的分解构型。(d) 分子动力学模拟构建的Au双晶三维结构。(e) 单一周期剪切循环载荷下小角度晶界的往复迁移。(f-g) 第50和500周期循环剪切载荷下小角度晶界的往复迁移。图(a)的标尺为2nm；图(e)的标尺为5nm。
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。然而，伴随晶界倾转角（θ）的增大，晶界分解宽度逐渐减小，晶界能量升高（图3b-c），使得晶界迁移速率降低，剪切耦合因子增大（图3d）。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。对非对称小角晶界在循环加载过程中所受正向/反向切应力的定量分析也证实了晶界调控在循环变形中的重要作用（图3e-f）。
图3. 位错型晶界的循环变形能力。(a) 分解前后小角度晶界结构的几何模型。(b) Au双晶中<110>晶界随倾转角变化的分解宽度和晶界能量。(c) FCC金属中普遍存在的晶界分解。(d)晶界迁移速率和剪切耦合因子随倾转角的变化趋势。(e-f) 晶界在等应变幅往复迁移过程中所受切应力的范围与几何模型预测。
由于晶界分解位错的滑移系分别位于两侧晶粒内，位错型晶界的可逆变形能力不受晶界倾斜角（α）和对称性的限制（图1和图4a-b），因而具有良好的普适性和稳定性。实验和理论模拟也进一步证实，改变纳米双晶长径比（图4c）、加载速率（图4d）、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. 晶界结构设计调控金属纳米晶体的循环变形能力。(a-b) 包含18° [10] 晶界的Au纳米双晶在低应变率下(610-3 s-1)由晶界迁移主导的循环变形。(c)大长径比纳米双晶稳定的循环变形。(d) 高应变率下(610-1 s-1)纳米双晶稳定的循环变形。(e) 晶界结构设计调控金属纳米晶体的循环变形行为的新思路。图(a, c, d)的标尺为2nm。
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（图4e），为微纳结构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。
*感谢王江伟研究员团队和周昊飞研究员团队对本文的大力支持。
