導(dǎo)讀：納米晶金屬因其高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性和優(yōu)越的輻射特性而備受關(guān)注。然而，晶粒在高溫下的粗化會導(dǎo)致顯著的性能退化，削弱其在高溫下應(yīng)用中的潛力。在此，本文報道了不混溶的銅、銀、鐵晶粒在穩(wěn)定晶粒結(jié)構(gòu)和調(diào)整織構(gòu)發(fā)展方面的獨特相互作用。合金在600℃和700℃退火后經(jīng)歷了劇烈的晶粒粗化。相比之下，Cu-Ag-Fe納米復(fù)合材料在退火后表現(xiàn)出更小的晶粒尺寸。有趣的是，雖然合金表現(xiàn)出隨機(jī)的納米晶體取向，但形成了高織構(gòu)的Cu-Ag-Fe納米復(fù)合材料。此外，F(xiàn)e的組成主要改變了納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，從中的（111）Ag（Cu）和（110）Fe，到中的顯著的（110）Ag（Cu）和（100）Fe。討論了紋理形成和演化背后的基本機(jī)制。本研究為織構(gòu)可調(diào)的穩(wěn)定納米復(fù)合材料的設(shè)計提供了一個新的視角。

納米結(jié)構(gòu)金屬因其高強(qiáng)度、優(yōu)異的輻射耐受性和耐磨性而引起了廣泛的研究興趣。然而，納米結(jié)構(gòu)金屬因高溫下界面多余自由能最小化導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在高溫下的應(yīng)用在很大程度上受到阻礙。熱穩(wěn)定性差表現(xiàn)為高溫性能的退化，如晶粒粗化導(dǎo)致的快速軟化。從動力學(xué)和熱力學(xué)角度提出了各種晶粒穩(wěn)定策略。已有研究表明，第二相粒子的加入可誘發(fā)齊納釘住效應(yīng)，減緩晶粒生長。同時，溶質(zhì)可以通過晶界偏析來拖動界面運(yùn)動或降低晶界能。

除了穩(wěn)定納米晶金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)外，裁剪紋理從而獲得所需的電磁性能也引起了廣泛的研究興趣。已知織構(gòu)對材料的彈性、力學(xué)性能及熱膨脹性能有顯著影響。多晶金屬薄膜的織構(gòu)形成與沉積過程中的晶粒結(jié)構(gòu)演化密切相關(guān)。多晶薄膜可能具有較強(qiáng)的面外紋理。薄膜生長通常是通過孤立島的成核以及隨后的島的聚結(jié)和粗化進(jìn)行的。這些過程強(qiáng)烈地影響了沉積薄膜的晶粒尺寸和晶粒取向。例如，先前的研究表明，核與襯底之間的界面能最小的取向，其成核速率更高。然而，由于其他因素如表面能、應(yīng)變能和各向異性生長速度將隨著薄膜增厚而起作用，初始能量最小化取向可能不會持續(xù)。同時還發(fā)現(xiàn)，島狀聚結(jié)和晶粒生長通常決定最終的織構(gòu)。在合并和粗化過程中，島嶼大小和表面/界面能產(chǎn)生的能量差將驅(qū)動島嶼邊界運(yùn)動，從而一個島嶼的增長以犧牲其他島嶼為代價。該過程具有取向選擇性，晶粒取向分布明顯。

在此，美國普渡大學(xué)材料工程學(xué)院張興航教授團(tuán)隊研究了織構(gòu)形成和演化背后的基本機(jī)制。報道了與CuAg二元合金相比，Cu-Ag-Fe三相不混溶納米復(fù)合材料(TPINs)的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。Cu-Ag-Fe中細(xì)晶粒的穩(wěn)定源于動力學(xué)勢壘的引入和低能態(tài)界面的優(yōu)先形成。同時，沿Ag/Fe和Cu/ Fe界面觀察到曲率依賴的取向關(guān)系。改變鐵含量引起的織構(gòu)演化是通過表面能和應(yīng)變能的競爭而發(fā)生的。為不混溶納米復(fù)合材料中利用相邊界和三結(jié)穩(wěn)定納米顆粒提供了一種可行的方法。相關(guān)研究成果以題“Texture development in Cu-Ag-Fe triphase immiscible nanocomposites with superior thermal stability”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645422009223

圖1（a-c）在二氧化硅襯底上沉積和退火的合金的x射線衍射圖樣。(a)寬駝峰在36-44出現(xiàn)在沉積與隨機(jī)多晶結(jié)構(gòu)在在400C和600C. (b)退火（CAF10）400C和600C導(dǎo)致突出的Cu/Ag（111）紋理，和Fe（110）紋理。通過(c)對（CAF34）的退火，引入了明顯的Cu/Ag（110）紋理和Fe（100）紋理。（d-e）Ag和Cu的（220）和（111）衍射峰的相對強(qiáng)度比隨退火溫度的變化。(f)在不同溫度下退火的鐵的（200）和（110）峰的相對強(qiáng)度比。

圖2(a)-沉積的合金的TEM顯微圖和相應(yīng)的SAD模式。(b)測向透射電鏡圖像顯示了合金的晶粒結(jié)構(gòu)。用于獲取DF圖像的衍射光束用紅色虛線圓圈標(biāo)記。(c) EDS圖，描述了元素的分布。(d)的統(tǒng)計研究顯示，平均晶粒尺寸為15 nm。（e-f）BF和相應(yīng)的DF TEM顯微圖顯示了作為沉積的CAF10合金的顯微結(jié)構(gòu)。(g)顯示Cu、Ag、Fe均勻分布的EDS圖。(h)統(tǒng)計晶粒尺寸分布顯示CAF 10合金的平均晶粒尺寸為18 nm。(i)插入SAD圖案的沉積CAF34合金的透射電鏡顯微圖。(j)相應(yīng)的測向透射電鏡顯微圖。(k) EDS圖顯示在沉積的CAF34合金中沒有元素偏析。(l)統(tǒng)計研究表明，作為沉積的CAF34合金的平均晶粒尺寸為31 nm。

圖3合金在600℃退火的(a)平面圖（PV）顯微結(jié)構(gòu)顯示了在晶界（GBs）處有核的大量退火孿晶（GBs）的多晶結(jié)構(gòu)。（b-c）HAADF STEM顯微圖和相應(yīng)的EDS圖，顯示了Cu和Ag的相分離。(d) GB特征映射疊加在虛擬暗場（VDF）圖像上，表示GB特征。15-65的高角度GBs（HAGBs）為黑色，5-15的GBs為紅色，3-5的GBs為白色，Σ3孿生邊界（TBs）為黃色。(e)逆極點圖（IPF）顯示了退火后的隨機(jī)方向。

圖4在600℃. (a) PV TEM圖像下退火的CAF10合金的顯微結(jié)構(gòu)和插入的選擇區(qū)域衍射（SAD）模式顯示了多晶的性質(zhì)。（b-c）HAADF STEM顯微圖和相應(yīng)的EDS圖，顯示了Cu（紅色）、Ag（藍(lán)色）和Fe（綠色）的元素分布。插圖顯示了球形鐵顆粒在銅和銀顆粒的四個交點處的成核。(d) GB地圖疊加在VDF圖像上。(e) IPF顯示出明顯的Cu/Ag（111）紋理和Fe（110）紋理。

圖5（a-b）退火后的Cu45Ag45Fe10合金的EDS圖和相應(yīng)的PV TEM顯微圖。橙色的虛線框勾勒出了一個具有代表性的Ag/Fe界面。(c)Ag/Fe邊界的高分辨率TEM（HRTEM）顯微圖顯示平行（200）Fe和（202）Ag之間有3的傾斜角。(d)對應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT）。

圖6在600℃ (a) PV TEM圖像下退火的CAF34合金的顯微結(jié)構(gòu)和插入的SAD圖案顯示了多晶結(jié)構(gòu)。（b-c）HAADF STEM顯微圖和相應(yīng)的EDS圖，顯示了Cu、Ag和Fe的相分離。黃色虛線框放大了Cu、Ag、鐵顆粒形成三相三結(jié)的典型區(qū)域。(d) GB特征圖疊加在VDF圖像上。(e) IPF顯示出明顯的Cu/Ag（110）紋理和明顯的Fe（100）紋理。

圖7(a)在600℃下退火的、CAF10和CAF34合金的平均粒徑作為Fe組成的函數(shù)。(b)不同鐵濃度下合金晶粒粗化比例的比較。

圖8（a-b）600℃退火合金中的{111}和極圖（PFs）呈隨機(jī)極分布。（c-d）{111}和{110} PFs和(f) {110}和{100} PFs，表明其具有強(qiáng)烈的{111}Cu、Ag//{110}Fe纖維結(jié)構(gòu)。（f-g）{111}和{110} PFs以及(h) {110}和Fe的Cu、Ag//{100}Fe纖維結(jié)構(gòu)明顯。

圖9（a-b）在600c下退火的CAF34合金的EDS圖和相應(yīng)的PV TEM顯微圖。紅色虛線框勾畫了一個具有代表性的Cu-Ag-Fe三相三結(jié)。銅銀鐵三結(jié)的(c) HRTEM顯微圖。Fe沿[001]區(qū)軸定向，而Cu和Ag沿[110]區(qū)軸進(jìn)行檢測，如圖所示。其取向關(guān)系分別為：（110）Fe//（111）Cu)、（110）Fe//（111）Ag。Cu與Ag的錯取向角約為20(d)Cu/Fe界面放大HRTEM顯微圖表明[100]Fe與[110]Cu平行。(e)放大的Ag/Fe邊界顯示平行的[100]Fe和[110] Ag孿晶。插圖取自圖6b中藍(lán)色虛線框勾畫出的區(qū)域，揭示了孿生區(qū)域的原子排列。

總的來說：在本研究中，研究了不混溶的銅、銀、鐵顆粒在穩(wěn)定晶粒結(jié)構(gòu)和調(diào)整紋理發(fā)展方面的獨特相互作用。合金在高溫退火后發(fā)生了劇烈的晶粒粗化。相比之下，CAF TPINS表現(xiàn)出顯著的粒度穩(wěn)定性。此外，雖然退火后的合金顯示出相對隨機(jī)的多晶結(jié)構(gòu)，但退火后的CAF TPINS表現(xiàn)出質(zhì)地強(qiáng)烈的納米顆粒。Fe引入了一個劇烈的紋理轉(zhuǎn)變，從CAF10中顯著的（111）結(jié)構(gòu)和（110）結(jié)構(gòu)共存到CAF34中顯著的（110）Ag（Cu）和（100）結(jié)構(gòu)。透射電鏡研究表明，界面曲率與Ag/Fe和Cu/Fe界面的取向關(guān)系有很強(qiáng)的相關(guān)性。這種獨特的織構(gòu)演化起源于界面能與應(yīng)變能之間的競爭。本研究為紋理可調(diào)的穩(wěn)定納米復(fù)合材料的設(shè)計提供了一個新的視角。