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香港城市大學：屈服高達2.4GPa，延伸率10.6%！通過高密度位錯和減少晶界大幅提高脆性金屬綜合性能！

2021-06-09 16:05:27 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：盡管鎢具有許多突出的物理性能，但在室溫下它本身是易碎的，這限制了它在小范圍內的結構和功能應用。本文采用了一種簡單的策略，通過電子背散射衍射（EBSD）引導的冷拉塊狀鎢絲的微加工，在減少晶界的同時引入高密度位錯。設計的鎢微絲獲得約10.6%的超大范圍均勻拉伸伸長率，同時保持約2.4 GPa的高屈服強度。原位透射電鏡拉伸試驗表明，鎢微絲的大范圍均勻伸長源于預先存在的高密度位錯運動，而隨后的韌性斷裂歸因于裂紋尖端塑性和晶界裂紋的抑制。這項工作展示了鎢微元件在微/納米級機械、電子和能源系統中具有優異延展性和可加工性的應用潛力。

鎢（W）是最強的純金屬之一，以其高熱導率和高熔點而聞名，具有廣泛的微米和納米級應用。鎢微/納米線不僅是優秀的場發射體，而且由于其電阻率尺寸效應的顯著降低，也是存儲器件中作為互連、接觸和焊盤的有前途的納米電子構件。由于擴散的高活化能和小尺度下較短的電子平均自由程，提高了可靠性和效率。此外，由于其高硬度和高耐腐蝕性，鎢絲已被廣泛用于制造用于神經元活動記錄和腦機接口的微電極陣列。

不幸的是，鎢材料的一個主要缺點是固有的室溫脆性，這極大地限制了它的可加工性和可靠性。延展性差，即通常< 1%，源于兩個主要因素：（1）體心立方（BCC）晶體結構，具有非常高的派爾斯應力，即在原子平面內移動位錯所需的應力；以及（ii）晶界（GBs）的低內聚力性質。以前的效果已經開發出了W纖維增強的W（Wf/W）復合材料，以實現延展性和增強的韌性，但是Wf/W的延展性仍然有限，即約2-3%。另一種提高鎢延展性的實用方法是與錸（Re）合金化，通過固溶軟化和改變位錯核心結構，提高晶界內聚力和1/2< 111 >螺旋位錯的遷移率。然而，稀土的稀有性和高成本限制了這種工程策略的廣泛應用。特別是，為了這種高性能金屬的可持續性，開發具有強度和延展性的優異組合同時降低成分復雜性的鎢結構/部件是非常值得的。

在這種情況下，香港城市大學陸洋團隊提出了一種策略，即在降低鎢絲中石墨密度的同時引入高密度位錯，以提高其強度-延展性的協同作用。高密度位錯被認為通過森位錯硬化來提高鎢的屈服強度，這可以進一步激活密集位錯的滑動，以通過超過佩爾斯應力的高流動應力來提高延展性。此外，使鎢中原子結構復雜、內聚性差和應變不相容的晶界最小化可以增加位錯遷移率并防止沿晶脆性斷裂。我們通過電子背散射衍射（EBSD）引導的聚焦離子束（FIB）技術選擇性地雕刻冷拉鎢絲來實現這種工程微結構。設計的鎢絲表現出10.6%的大拉伸均勻伸長率，同時保持約2.4 GPa的超高屈服強度，相關研究結果以題為“Enhanced tensile ductility of tungsten microwires via high-density dislocations and reduced grain boundaries”發表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.021

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摘要圖

如圖1（a）所示，冷拉鎢絲由沿拉制軸線的高度拉長的晶粒組成。垂直于繪圖軸，它顯示均勻分布尺寸明顯較小的顆粒（平均晶粒尺寸約為400納米），不是等軸而是扭曲的，顯示出典型的卷曲結構（圖1（b））。隨后，冷拉鎢絲中的高密度位錯通過在雙束條件下的明場透射電鏡圖像顯示出來，使用的是在300千伏下工作的FEI Tecnai TF-30透射電鏡，如圖1（c，d）所示。

圖1 一種原始冷拉鎢絲的微觀結構表征冷拉鎢絲（a）縱截面和（b）橫截面的EBSD取向圖。（c）明場雙束透射電子顯微鏡圖像顯示冷拉鎢絲中的高密度位錯。（d）在（c）中描繪矩形框位錯結構的高倍放大圖像。

圖2顯示了具有高密度位錯和降低的晶界的鎢微絲的制備過程。利用FEI SciosTM雙光束光纖/掃描電子顯微鏡系統從冷拉鎢絲的縱向制作了楔形薄板。薄片由微探針提取，并進行EBSD表征以獲得其晶粒取向。逆極圖（IPF） Z + GB映射被用來指導具有降低的GBs的W微絲的FIB雕刻。

圖2 高密度位錯和降低GBs的鎢微絲的制備。一種楔形薄片，由微探針從冷拉鎢絲的橫截面上提取，以EBSD為特征，用于指示國標位置和引導鎢絲的纖維雕刻。介紹了一種典型的鎢微絲和一種測試前對準的拉伸夾具。

圖3 側視透射電子顯微鏡圖像顯示兩個代表性鎢絲（I和II）內的石墨球。微線 I的HAGB取向差為35.3°，這是由G1和G2在相同的X和Y傾角下拍攝的SAED圖案提出的。Microwire II有一個9°方向錯誤的LAGB和兩個HAGB（G1和G3之間的HAGB方向錯誤是39.9°，而G2和G3之間的HAGB錯向角是40.8°），這是由取自G1 + G2的SAED模式和取自G3的SAED模式在ΔXG3-G1 = 28.1°，ΔYG3-G1 =-28.3°傾斜角下提出的。

圖3顯示了兩種代表性微加工的鎢微絲的晶粒結構。用透射電鏡明場成像和選區電子衍射（SAED）測定了鎢絲中的石墨數量和取向差。發現一根W微絲（以下簡稱微絲I）含有一個高角度GB （HAGB），GB取向為~ 90°，另一根（以下簡稱微絲II）含有一個低角度GB （LAGB），GB取向為~ 5°，兩個HAGB，GB取向分別為~ 90°和~ 45°。這里，GB取向是指加載方向與GB法線方向之間的角度。

圖4 鎢絲實現了卓越的室溫強度-延展性組合。提取的框架顯示了微絲（a） I和（b） II的塑性變形，表明了在最大均勻伸長率和延性斷裂之前的形態。（c）微絲I和II的工程應力應變曲線。

圖5 冷拉鎢絲、退火冷拉鎢絲、單晶鎢絲相比，鎢絲的屈服強度與均勻伸長率的關系。還包括來自其他難熔金屬微絲的數據，包括鈮（Nb）、鉬（Mo）和鉭（ta）以及一些現有的互連金屬納米線，包括銅（Cu）和鋁（Al）。

圖5比較了鎢微絲與冷拉鎢微絲、退火冷拉鎢微絲、單晶鎢微絲、其他單晶難熔金屬微絲[38]和現有單晶互連金屬納米線的力學性能。請注意，這里使用的是均勻伸長率，因為這是一種理想的性能，受試樣尺寸的影響較小。與以前報道的難熔金屬和互連金屬納米/微絲相比，我們的鎢絲在室溫下具有高得多的均勻伸長率值，即9-10.6%。

圖6 （a）顯示典型PTP樣品的明場透射電鏡圖像。紅色矩形表示觀察區域。（b）使用雙光束條件g=（0-11）顯示高密度位錯的TEM顯微照片（b）中嵌入的SAED模式顯示加載軸靠近[110]方向。（c-h）從（b）中的白色矩形區域放大的一系列透射電子顯微鏡圖像，通過原位透射電子顯微鏡拉伸測試顯示了在相應時間間隔內鎢微絲的代表性位錯活動。

圖7 頸縮后裂紋開始并擴展。（a）一系列快照，顯示（b）中裂紋開始后的裂紋擴展，伴隨著裂紋尖端前的位錯活動和裂紋尖端塑性。黑色虛線勾勒出裂紋，黃色箭頭表示裂紋前方的位錯，（b）中的小圓表示裂紋胚。

圖8 含一個LAGB和一個HAGB的鎢絲的原位透射電鏡拉伸試驗。透射電鏡顯微照片顯示拉伸前所有三種晶粒G1、G2和G3的概況，加載軸沿[110]閉合。（b-g）從（a）中的白色矩形區域拍攝的一系列透射電鏡圖像，顯示位錯活動。黃色箭頭表示預先存在的位錯的位錯活動，紅色箭頭表示從GB發射的位錯活動。（h-j）顯示相應時間間隔內位錯運動和樣品變形的連續幀。

鎢微絲具有高密度位錯和降低的晶界（圖9）是鎢微絲中實現高屈服強度、增強的拉伸韌性和韌性斷裂的機制。基本上，鎢微絲的強度-延展性組合由兩種缺陷主導，即位錯和GBs。在鎢納米線中已經報道過的形變孿晶現象，在我們的鎢微絲和塊狀鎢中沒有觀察到，因為分解的剪切應力遠低于孿晶形成的剪切應力（即（-112）平面上的約9 GPA）。在常規加工方法的基礎上，通常可以產生兩種典型的微觀結構，即退火鎢微絲中的低密度位錯和晶界，以及變形鎢微絲中的高密度位錯和晶界。對于退火的鎢絲，屈服/流動應力很低，因此位錯滑移很難激活。移動位錯的缺乏和石墨的低內聚性通常導致退火鎢微絲的低延展性（即<1%）和脆性斷裂。單晶鎢微絲是退火鎢微絲的一種特例，它不發生國標斷裂，具有較大的位錯滑移路徑。因此，單晶鎢微絲的延展性高于多晶結構退火鎢的延展性。

圖9 示意圖顯示了退火鎢絲、變形鎢絲和鎢絲的顯微組織和變形機制。它們的力學性能（即屈服強度對均勻伸長率）繪制在圖5中并進行比較。

總之，本文通過對冷拉鎢絲進行選擇性微加工，同時調整位錯和GBs，我們實現了小尺寸鎢絲的強化和延展性的提高，同時具有以前無法達到的力學性能：9-10.6%的拉伸均勻伸長率和> 2 GPa的屈服強度。利用原位納米力學拉伸試驗，我們證明了強鎢絲通過預先存在的高密度位錯的運動、增強的裂尖塑性和抑制石墨斷裂而保持超大的延展性。這項工作展示了一種簡便有效的方法，通過調整鎢和其他難熔金屬微絲的內部缺陷，同時開發和設計具有高強度和高延展性的鎢和其他難熔金屬微絲，從而有可能實現其可靠的集成電子、能源設備和機電系統。

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