近日，重慶大學(xué)材料學(xué)院黃曉旭教授團(tuán)隊(duì)與北京高壓科學(xué)研究中心陳斌研究員團(tuán)隊(duì)等合作，在《Nature》上發(fā)表題為“High pressure strengthening in ultrafine-grained metals（超細(xì)晶金屬的高壓強(qiáng)化）”的研究成果，黃曉旭教授為共同通訊作者，重慶大學(xué)為共同通訊單位，材料學(xué)院青年教師馮宗強(qiáng)為共同第一作者，黃天林副教授為共同作者。該研究成果是重慶大學(xué)在材料科學(xué)領(lǐng)域，繼2019年7月作為通訊單位在《Science》上發(fā)表研究成果之后的又一重要進(jìn)展。

研發(fā)具有更高強(qiáng)度的材料是材料科學(xué)追求的重要目標(biāo)之一。材料的強(qiáng)度與其微觀組織特征密切相關(guān)。通常，材料的微觀組織單元（稱(chēng)為“晶粒”）越細(xì)小，其強(qiáng)度就越高，這一規(guī)律也正是研究納米材料的主要驅(qū)動(dòng)力。但是，過(guò)去二十年來(lái)，許多計(jì)算機(jī)模擬研究和部分實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)晶粒小于某個(gè)臨界尺寸（約10到15納米）時(shí)，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，材料的強(qiáng)度不僅不提高，反而會(huì)下降。一般認(rèn)為這一軟化現(xiàn)象是由于納米材料中晶粒之間的界面的滑動(dòng)主導(dǎo)了其塑性變形所致。然而，由于高質(zhì)量大尺寸納米晶材料制備的困難，很難準(zhǔn)確測(cè)量晶粒尺寸小于15納米材料的機(jī)械性能，所以對(duì)于晶粒尺寸更細(xì)的納米金屬而言，其強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系的建立仍需要最直接和可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在本研究工作中，研究人員首次將地球科學(xué)研究領(lǐng)域的高壓實(shí)驗(yàn)方法引入到了納米材料研究中，創(chuàng)造性地解決了納米材料強(qiáng)度表征的技術(shù)難題，首次報(bào)道了晶粒尺寸在10納米以下的納米純金屬的強(qiáng)化現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)納米純金屬鎳進(jìn)行高壓變形研究，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度隨著晶粒尺寸減小持續(xù)提高，而且更為吃驚的是，晶粒尺寸越小其強(qiáng)化效果越顯著。在所研究的最小晶粒尺寸（3納米）樣品中，獲得了4.2 GPa的超高屈服強(qiáng)度，比常規(guī)商業(yè)純鎳強(qiáng)度提高了10倍。塑性計(jì)算模擬和透射電子顯微鏡分析表明，高壓變形抑制了納米材料中的晶界滑動(dòng)，并促進(jìn)了起強(qiáng)化作用的晶體缺陷（位錯(cuò)）的儲(chǔ)存，從而導(dǎo)致高壓細(xì)晶強(qiáng)化。上述發(fā)現(xiàn)將會(huì)進(jìn)一步刷新人們對(duì)納米材料強(qiáng)化中臨界晶粒尺寸現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，重新激發(fā)通過(guò)調(diào)控材料的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)獲得超強(qiáng)金屬的探索。

（a）高壓變形條件下純鎳樣品強(qiáng)度隨著晶粒尺寸減小而持續(xù)提高；

（b）高分辨透射電子顯微鏡圖像顯示晶粒尺寸3納米純鎳樣品的變形組織形貌與位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

黃曉旭團(tuán)隊(duì)一直從事納米金屬的電子顯微鏡表征（Science 2011）和強(qiáng)化機(jī)理研究（Science 2006，2009, Nature 2010），發(fā)現(xiàn)了納米金屬所呈現(xiàn)的一些與常規(guī)金屬不同的物理現(xiàn)象，比如納米金屬的加熱軟化現(xiàn)象等，提出了針對(duì)納米金屬性能優(yōu)化的工藝措施。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)依托重慶大學(xué)電鏡中心，主持承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重大科學(xué)儀器研制專(zhuān)項(xiàng)等一系列國(guó)家重大研究課題，此次發(fā)表的上述《Nature》論文，即是近期研究的代表性工作之一。

黃曉旭教授研究團(tuán)隊(duì)部分成員和團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的世界首套兼具三維晶體取向重構(gòu)和三維衍射像重構(gòu)功能的三維透射電子顯微鏡