{首页主词},&

在原子尺度揭開結(jié)構(gòu)材料超高強度與超高韌性的面紗

2017-07-28 15:15:03 作者：本網(wǎng)整理來源：科技日報分享至：

大飛機、高鐵、發(fā)動機、橋梁等的力學(xué)承載結(jié)構(gòu)材料，都是由材料的不同性能而發(fā)揮著關(guān)鍵作用。眾所周知，材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的宏觀物性及其功能；而材料的微觀結(jié)構(gòu)則是由組成原子之間空間排列的晶體結(jié)構(gòu)所決定。如何了解調(diào)控原子之間的晶體結(jié)構(gòu)，是材料微觀結(jié)構(gòu)研究的重要課題和科學(xué)前沿。

由于原子間的排列距離大約為2—3埃（0.2—0.3納米），相當(dāng)于頭發(fā)絲的十萬分之一，因此如何從物理上能夠看到原子，探索原子或其團簇在外力作用下的演化規(guī)律，并在亞埃尺度精確操控由原子組成的結(jié)構(gòu)材料一直是研究者追求的目標(biāo)。

由北京工業(yè)大學(xué)和浙江大學(xué)組成的“材料彈塑性微觀機制研究團隊”經(jīng)過13年不懈的努力，發(fā)明了國際上該領(lǐng)域獨有的“原子尺度材料力學(xué)性能實驗系統(tǒng)”和相關(guān)技術(shù)，為解決這一世界難題提供了新的研究途徑。

該實驗平臺的“力學(xué)微驅(qū)動器”可以在電子顯微鏡下精準(zhǔn)施加外力，驅(qū)動微納米結(jié)構(gòu)材料變形，并在原子尺度觀察原子及其團簇的演化規(guī)律。該技術(shù)填補了多項國際領(lǐng)域空白，部分實驗成果驗證并發(fā)展了百年的理論預(yù)測，實現(xiàn)了技術(shù)與理論上的雙突破。該項研究大幅度拓展了材料性能的提升空間，為提高國家重大基礎(chǔ)材料與先進材料的研究搭建了新的科學(xué)實驗測量調(diào)控系統(tǒng)，該研究取得國家發(fā)明專利24項，國際專利4項，在2016年度北京市科學(xué)技術(shù)獎評選中，榮獲一等獎。

“原子眼”與“力學(xué)智能手”的完美結(jié)合

原子是組成固體物質(zhì)的基本單元，它的組成、排列方式?jīng)Q定了材料的宏觀性能。材料的力學(xué)性能是許多關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的基礎(chǔ)，例如：大飛機、高鐵、橋梁、汽車結(jié)構(gòu)件，也在許多功能性器件中起關(guān)鍵作用。如果能夠精確認(rèn)知原子在外力下的運動和演化規(guī)律，就可以優(yōu)化乃至創(chuàng)新材料設(shè)計，大幅度提高材料的性能。

自1803年道爾頓提出原子基本粒子理論至今已經(jīng)過去200余年，人們試圖觀察、認(rèn)知并操控原子的愿望與實踐持續(xù)至今。透射電子顯微鏡是利用電子與原子交互作用，將被觀察的物體放大100萬倍以上，直接看到組成材料的原子排布及組成。

經(jīng)過百年的不斷發(fā)展，電子顯微鏡的“視力（空間分辨率）”逐步提高，可以達(dá)到亞埃尺度（千億分之一米）。然而，這種顯微鏡雖然有好的“視力”，卻缺乏可以操控原子的“力學(xué)智能手（微驅(qū)動器）”。

一直以來，國際上許多科學(xué)家都在嘗試給這種顯微鏡安裝“力學(xué)智能雙手”，但以現(xiàn)有的商業(yè)化技術(shù)，一旦給顯微鏡安裝“力學(xué)智能手”后，會導(dǎo)致顯微鏡的“視力”嚴(yán)重下降，難以實現(xiàn)精準(zhǔn)觀察。因此，實現(xiàn)原子的精準(zhǔn)操控和觀察，認(rèn)知外力作用下原子的演化規(guī)律是一個世界性的實驗瓶頸技術(shù)。

張澤院士和韓曉東教授帶領(lǐng)研究團隊經(jīng)過13年的不懈努力，改變固有思維，創(chuàng)造性的發(fā)展了“原子尺度材料力學(xué)性能實驗儀器”，解決了上述實驗瓶頸難題。在技術(shù)上既保證了透射電子顯微鏡的“視力”在施加外力時保持在“原子尺度”，又實現(xiàn)了“力學(xué)智能手”以“亞埃”步長精準(zhǔn)控制材料變形。

該技術(shù)體系填補了國際領(lǐng)域多個空白，實現(xiàn)了原子尺度下的“原子眼”與“力學(xué)智能手”的完美結(jié)合。在該技術(shù)的支撐下，研究團隊與國際同行一起，開辟了“原子尺度材料力學(xué)性能原位實驗研究”的新領(lǐng)域。

納米材料超常力學(xué)性能的“面紗”被揭開

納米材料是材料世界的后起之秀，它是指在三維空間中至少有一維是納米尺寸（0.1—100nm）的材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，被譽為21世紀(jì)最具潛力的新型材料，納米材料的力學(xué)性能有可能達(dá)到材料的性能極限，并擁有體材料不具備的特殊優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)。

納米多晶材料中原子的運動和演化規(guī)律，在過去僅能通過計算機模擬進行分析，模擬的準(zhǔn)確性依賴于原子間作用勢的準(zhǔn)確程度等。“原子尺度材料力學(xué)性能實驗系統(tǒng)”的成功研制幫助研究團隊逐一揭開納米材料超常力學(xué)性能的“面紗”。

團隊首次揭示了多晶納米材料力學(xué)變形過程中原子的錯排有律可循，實驗發(fā)現(xiàn)納米晶粒內(nèi)部原子錯位排列的極限尺寸小于理論預(yù)測的0.4%—0.6倍。這一發(fā)現(xiàn)說明多晶材料的極限強度可再度提高30%—50%，將推動更高強度結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和發(fā)展。

讓材料研究如虎添翼

半導(dǎo)體材料是信息材料世界中的“當(dāng)家花旦”，硅則是那顆最耀眼的明珠，它支撐著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展。我們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮赢a(chǎn)品無一例外的與硅緊密相關(guān)。然而，硅材料像玻璃一樣非常容易破碎。如何使得硅像金屬一樣柔韌并在納米尺度進行精確加工是持續(xù)了近60年的重大科學(xué)問題。它直接決定了我們的電子產(chǎn)品的壽命、容量、運算速度以及是否可以突破摩爾定律的制約。

利用“原子眼”與“力學(xué)智能手”揭示其原子排列規(guī)律的奧秘：發(fā)現(xiàn)硅在小尺度下及外界輔助條件下，具有大應(yīng)變能力，可以像金屬材料一樣柔韌，具備塑性變形能力，其應(yīng)變能力為大體積硅材料應(yīng)變的1000倍，具有潛在的機械加工特性。這種神奇的現(xiàn)象，在納米氧化硅玻璃、碳化硅中也得以發(fā)現(xiàn)。

課題團隊對這類問題加以總結(jié)，揭示了一系列半導(dǎo)體材料的原子錯排機理。為脆性材料的加工和應(yīng)用提供了新思路，為受摩爾定律控制的半導(dǎo)體工業(yè)及器件的機械加工開辟了新途徑。

讓晶體材料展現(xiàn)類似橡皮行為的超大彈性應(yīng)變

在晶體材料領(lǐng)域，科學(xué)家們一直有一個問題，晶體材料的最大彈性變形量是多少，這直接決定人類可以在多大程度上調(diào)控材料的性能。在近100年前，理論學(xué)家們就預(yù)測材料單軸拉伸變形量能達(dá)到10%左右，復(fù)雜限域條件下晶格應(yīng)變可達(dá)17%。

然而，這個理論從未被實驗證實。100年來探索從未停止，直到2014年，課題團隊開發(fā)并利用“原子眼”與“力學(xué)智能手”在國際首次實現(xiàn)了金屬銅納米線拉伸變形的原子操控，發(fā)現(xiàn)銅納米線的彈性變形可達(dá)到7.2%。國際著名期刊Science撰文評價“這是金屬材料中迄今能夠?qū)崿F(xiàn)的最大單軸拉伸彈性應(yīng)變”。

隨后，團隊發(fā)現(xiàn)這種類似的原子彈性切應(yīng)變在鎳孿晶納米線中可達(dá)34%，是體材料晶格應(yīng)變極限的10倍，該實驗驗證并解決了近百年前的理論預(yù)言難題。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)展了晶體材料彈性變形及強度理論，將應(yīng)變工程的應(yīng)變極限提高了10倍。

通過對材料原子結(jié)構(gòu)的應(yīng)變調(diào)控，金屬材料外在的物理性能（如強度、韌性、能帶結(jié)構(gòu)等）都會隨之變化和提高。航天飛機、輪船、高速列車將有更持久和更安全的服役性能，也會大幅度節(jié)約能源。

為國家重大需求的基礎(chǔ)材料和先進材料研發(fā)保駕護航

在過去的十幾年里，團隊利用獨特的設(shè)計理念，在國際領(lǐng)域原創(chuàng)性地發(fā)展了材料變形行為的原子操控技術(shù)，為人類進一步掀開材料世界里原子尺度演化規(guī)律的面紗提供了技術(shù)支撐。隨著這項關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用和新材料的研制成功，不僅可以打破國際上少數(shù)國家在關(guān)鍵材料出口方面的壟斷，同時為中國高端材料的研發(fā)和智能制造的進步，躋身世界材料研發(fā)強國，作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

原子尺度材料力學(xué)性能實驗測量調(diào)控系統(tǒng)為發(fā)展高強高韌輕質(zhì)，甚至在復(fù)雜極端環(huán)境下更多五彩繽紛的優(yōu)異特性的材料奠定了國際領(lǐng)域獨有的先進實驗平臺基礎(chǔ)。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：殷鵬飛

《中國腐蝕與防護網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國腐蝕與防護網(wǎng)官方 QQ群：140808414

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請第一時間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。