導讀:通過實驗和原子模擬相結(jié)合的方法，研究了無缺陷納米銅的力學性能和變形機制。顆粒的抗壓強度隨顆粒尺寸的減小而增大，在小顆粒極限范圍內(nèi)趨于飽和。在這個極限下，強度的本征尺寸依賴于顆粒表面附近位錯成核的隨機性。當顆粒累積殘余損傷時，顆粒的變形過程從初始應變軟化演化到應變硬化。將銅的歸一化強度-尺寸關(guān)系與金、鎳、鉑的歸一化強度-尺寸關(guān)系進行了比較。討論了四種面心立方金屬之間缺乏通用行為的問題。嚴重變形的納米銅顆粒形成多晶結(jié)構(gòu)，晶格取向從[111]變?yōu)閇110]。實驗和模擬揭示了晶格旋轉(zhuǎn)導致新晶形成的孿生機制。

尺寸小于幾微米的金屬物體的塑性變形已被廣泛研究，并已知與大塊金屬和合金的塑性變形顯著不同。通過對直徑從一微米到數(shù)百納米的金屬柱進行微壓縮和微拉伸測試，并借助聚焦離子束儀器進行加工，獲得了大量信息。已經(jīng)證明，這種柱子的流動應力與尺寸有關(guān)，比相應的散體材料的流動應力高出大約一個數(shù)量級。對幾種元素面心立方(FCC)金屬的FIB加工柱子的研究表明，由適當?shù)募羟心?shù)歸一化的流動應力與由Burgers矢量歸一化的柱子直徑之間存在普遍的冪函數(shù)關(guān)系。對于Au、Cu、Ni和Al柱子，描述柱子強度隨直徑減小而增加的尺寸指數(shù)為n=0.66，這表明了潛在的塑性機制的普遍性。

FIB加工的微柱和納米柱的流動應力大約比各自金屬的理論強度低一個數(shù)量級。原因是，盡管它們很稀缺，但先前存在的位錯及其來源仍然主導著塑性。只有通過定向凝固、分子束外延和固態(tài)除濕等高溫方法制備的單晶納米管、納米線和納米顆粒才能達到與理論強度相當?shù)腉PA級別的強度。在缺乏缺陷的納米結(jié)構(gòu)中，塑性的開始與位錯成核所需的應力有關(guān)。通過負載控制納米壓痕對金屬微米和納米顆粒進行壓縮測試，發(fā)現(xiàn)大的彈性應變達到10%，隨后突然發(fā)生位移破裂和塑性坍塌。后者與原始粒子中大量的位錯成核有關(guān)。新位錯的形核需要比移動已有位錯或激活已有位錯源的應力高得多的應力。在這種形核控制的塑性中尋找單一的關(guān)系是一項困難的任務，因為變形機制不僅取決于試件的尺寸，而且還取決于其形狀。例如，多面鉬微粒的壓縮強度表現(xiàn)出強烈的尺寸效應，而圓形微粒的塑性開始與尺寸無關(guān)。此外，在幾個Gpa的應力水平下，金屬彈性性能的非線性變得非常明顯，導致壓縮和拉伸行為之間的不對稱。

到目前為止，已經(jīng)在實驗上測量了面心立方金屬Au，Ni和Pt的多面單晶納米顆粒的形核控制壓縮強度。其中，Ni和Au的歸一化強度基本相同，而鉑的歸一化強度大約低一個數(shù)量級。這些結(jié)果揭示了無缺陷面心立方納米顆粒的形核控制塑性缺乏普遍性。已經(jīng)提出了幾種解釋，但根據(jù)現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)，還沒有得出明確的結(jié)論。進一步研究其他面心立方金屬的無缺陷納米顆粒對于理解形核控制區(qū)域的塑性規(guī)律是必不可少的。

以前的大多數(shù)微米和納米顆粒壓縮研究都集中在定義顆粒強度的塑性開始階段。對位錯形核后形成的嚴重變形組織的關(guān)注較少。這是可以理解的，因為在大多數(shù)情況下，塑性開始之后是一個巨大而快速的位移破裂，使得實驗上無法進入中間變形階段。同時，最近對Ni-Co納米顆粒壓縮變形的原子模擬揭示了有趣的趨勢，例如合金化的軟化效應和Ni-Co納米顆粒的溶質(zhì)誘導增韌。顆粒韌性與塑性變形中間階段顆粒內(nèi)部顯微組織的發(fā)展有關(guān)。

這一簡短的概述促使以前對原始金屬納米顆粒的微壓縮研究擴展到包括新的面心立方金屬，以了解形核控制塑性的一般趨勢。本研究以面心立方銅納米粒子為研究對象。Cu(40-50mJ m?2)的層錯能與Au(30-50mJ m?2)相近，低于Ni(125mJ m?2)，顯著低于鉑(322mJ m?2).根據(jù)SF能量判據(jù)，銅顆粒的歸一化強度可能更接近Au和Ni粒子，而不是鉑粒子的歸一化強度。這一假設將在這項工作中得到驗證。此外，我們測試的顆粒物比以往任何一項研究都要多得多。這使我們能夠?qū)︻w粒強度的尺寸依賴關(guān)系進行更準確的統(tǒng)計分析，并將結(jié)果與MD模擬進行比較。由于先前的研究表明顆粒形狀對抗壓強度有很大影響，我們仔細檢查了顆粒形狀，只測試了形狀接近銅的平衡晶形(ECS)的顆粒。這使得我們能夠?qū)⒋笮∫蕾嚺c粒子形狀效應分開。此外，我們使用了最近發(fā)展的質(zhì)量顆粒壓縮方法來訪問塑性變形的中間階段，并直接將顆粒微觀結(jié)構(gòu)與原子模擬預測的顆粒微觀結(jié)構(gòu)進行比較。將以前的工作擴展到另一種面心立方金屬，獲得更廣泛的粒子變形，顯著改進的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及與當前MD模擬的緊密結(jié)合，使我們能夠?qū)o缺陷金屬對象中的納米級變形機制有新的見解。

綜上所述，以色列理工學院Eugen Rabkin教授團隊旨在探索鎳、金、鉑和銅納米顆粒之間歸一化剪切強度的一般趨勢，并檢驗將其與層錯能聯(lián)系在一起的假設。進一步的假設是，在實驗和原子模擬中確定的顆粒強度的尺寸效應應該是一致的，納米顆粒的成核后塑性變形是由納米顆粒中的位錯成核、滑動和相互作用規(guī)律決定的。

相關(guān)研究成果以“Ultimate compressive strength and severe plastic deformation of equilibrated single-crystalline copper nanoparticles”發(fā)表在Acta Materialia上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964542400452X?via%3Dihub

圖1 在不同條件下通過固態(tài)除濕獲得平衡的銅納米顆粒的例子。

圖2 平衡的納米銅顆粒的形貌(樣品S3)。

圖3 (a)選定不同尺寸的銅顆粒的實驗載荷-位移曲線。(b)根據(jù)(a)項所示載荷-位移曲線計算的工程應力-應變曲線。(c)在分子動力學模擬(顆粒尺寸可達100納米)和實驗(尺寸為200-900納米)中獲得的銅納米顆粒的抗壓強度與其投影直徑的關(guān)系。粉紅色和藍色表示了顆粒強度的尺寸效應的兩個區(qū)域，由虛線垂直線分隔。(d)用代表理論剪切強度下限和上限的G/30和G/8虛線比較鉑、銅、鎳和金納米顆粒的歸一化臨界分辨剪應力(CRSS)。

圖4.模擬壓縮試驗不同階段的典型納米銅顆粒形狀。原子是由勢能著色的。

圖6 顯示納米顆粒壓縮過程中應變軟化效應和應變硬化效應的應力-應變曲線。

圖7 銅納米顆粒塑性變形的位錯機制。

圖8 (a)質(zhì)量粒子壓縮方法示意圖。(b)脫濕和變形的銅納米顆粒的高度h和投影直徑D之間的相關(guān)性。(c_1)和(d_1)納米銅顆粒壓縮前后的原子力顯微鏡形貌圖像。(c2)和(d2)納米銅顆粒壓縮前后的二次電子掃描電子顯微鏡(70?斜視圖)。

圖13 (a)-(d)40納米納米顆粒的形狀演變。[110]方向垂直于頁面，紅線表示雙邊界。(e)(111)反極圖。(f)(101)反極圖。藍色和紅色曲線分別顯示了母晶和孿晶的軌跡。

圖14 藍寶石襯底上壓縮誘導納米粒子旋轉(zhuǎn)的兩種機制示意圖，顯示出與基面取向成小的錯切角度。(a)在單一的{111}面上滑移；(b)在兩個{111}面上滑移，隨后孿晶的形核和膨脹。

總之，我們的研究表明，應用固態(tài)除濕方法在基面取向的藍寶石襯底上制備了單晶面的銅納米顆粒。嚴重的塑性變形和隨之而來的表面滑移痕跡的形成導致了獨特的表面形貌，顯示出平滑的準周期性納米級粗糙度。分子動力學模擬表明，觸發(fā)粒子變形的第一位錯可以在表面上形核，通常在小面邊緣或頂點附近，或者均勻地在角點下的晶格區(qū)。建立了四種面心立方金屬(銅、鉑、鎳和金)的原始刻面粒子的CRSS尺寸依賴關(guān)系圖。采用質(zhì)量顆粒壓縮的方法同時變形了大量的納米銅顆粒。