近日，重慶大學材料學院黃曉旭教授團隊與北京高壓科學研究中心陳斌研究員團隊等合作，在《Nature》上發(fā)表題為“High pressure strengthening in ultrafine-grained metals（超細晶金屬的高壓強化）”的研究成果，黃曉旭教授為共同通訊作者，重慶大學為共同通訊單位，材料學院青年教師馮宗強為共同第一作者，黃天林副教授為共同作者。該研究成果是重慶大學在材料科學領域，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展。

研發(fā)具有更高強度的材料是材料科學追求的重要目標之一。材料的強度與其微觀組織特征密切相關。通常，材料的微觀組織單元（稱為“晶粒”）越細小，其強度就越高，這一規(guī)律也正是研究納米材料的主要驅(qū)動力。但是，過去二十年來，許多計算機模擬研究和部分實驗研究表明，當晶粒小于某個臨界尺寸（約10到15納米）時，進一步細化晶粒，材料的強度不僅不提高，反而會下降。一般認為這一軟化現(xiàn)象是由于納米材料中晶粒之間的界面的滑動主導了其塑性變形所致。然而，由于高質(zhì)量大尺寸納米晶材料制備的困難，很難準確測量晶粒尺寸小于15納米材料的機械性能，所以對于晶粒尺寸更細的納米金屬而言，其強度與晶粒尺寸關系的建立仍需要最直接和可靠的實驗數(shù)據(jù)。

在本研究工作中，研究人員首次將地球科學研究領域的高壓實驗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度表征的技術難題，首次報道了晶粒尺寸在10納米以下的納米純金屬的強化現(xiàn)象。通過對納米純金屬鎳進行高壓變形研究，發(fā)現(xiàn)其強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的超高屈服強度，比常規(guī)商業(yè)純鎳強度提高了10倍。塑性計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，并促進了起強化作用的晶體缺陷（位錯）的儲存，從而導致高壓細晶強化。上述發(fā)現(xiàn)將會進一步刷新人們對納米材料強化中臨界晶粒尺寸現(xiàn)象的認識，重新激發(fā)通過調(diào)控材料的晶粒尺寸和微觀結(jié)構獲得超強金屬的探索。

（a）高壓變形條件下純鎳樣品強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結(jié)構。

黃曉旭團隊一直從事納米金屬的電子顯微鏡表征（Science 2011）和強化機理研究（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，提出了針對納米金屬性能優(yōu)化的工藝措施。近年來，團隊依托重慶大學電鏡中心，主持承擔了國家重點研發(fā)計劃專項、國家重大科學儀器研制專項等一系列國家重大研究課題，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。

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