導(dǎo)讀:通過(guò)實(shí)驗(yàn)和原子模擬相結(jié)合的方法，研究了無(wú)缺陷納米銅的力學(xué)性能和變形機(jī)制。顆粒的抗壓強(qiáng)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(gè)極限下，強(qiáng)度的本征尺寸依賴于顆粒表面附近位錯(cuò)成核的隨機(jī)性。當(dāng)顆粒累積殘余損傷時(shí)，顆粒的變形過(guò)程從初始應(yīng)變軟化演化到應(yīng)變硬化。將銅的歸一化強(qiáng)度-尺寸關(guān)系與金、鎳、鉑的歸一化強(qiáng)度-尺寸關(guān)系進(jìn)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(wèn)題。嚴(yán)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(shí)驗(yàn)和模擬揭示了晶格旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致新晶形成的孿生機(jī)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(guò)對(duì)直徑從一微米到數(shù)百納米的金屬柱進(jìn)行微壓縮和微拉伸測(cè)試，并借助聚焦離子束儀器進(jìn)行加工，獲得了大量信息。已經(jīng)證明，這種柱子的流動(dòng)應(yīng)力與尺寸有關(guān)，比相應(yīng)的散體材料的流動(dòng)應(yīng)力高出大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)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(dāng)?shù)募羟心?shù)歸一化的流動(dòng)應(yīng)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(duì)于Au、Cu、Ni和Al柱子，描述柱子強(qiáng)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(jī)制的普遍性。

FIB加工的微柱和納米柱的流動(dòng)應(yīng)力大約比各自金屬的理論強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。原因是，盡管它們很稀缺，但先前存在的位錯(cuò)及其來(lái)源仍然主導(dǎo)著塑性。只有通過(guò)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(dá)到與理論強(qiáng)度相當(dāng)?shù)腉PA級(jí)別的強(qiáng)度。在缺乏缺陷的納米結(jié)構(gòu)中，塑性的開(kāi)始與位錯(cuò)成核所需的應(yīng)力有關(guān)。通過(guò)負(fù)載控制納米壓痕對(duì)金屬微米和納米顆粒進(jìn)行壓縮測(cè)試，發(fā)現(xiàn)大的彈性應(yīng)變達(dá)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(cuò)成核有關(guān)。新位錯(cuò)的形核需要比移動(dòng)已有位錯(cuò)或激活已有位錯(cuò)源的應(yīng)力高得多的應(yīng)力。在這種形核控制的塑性中尋找單一的關(guān)系是一項(xiàng)困難的任務(wù)，因?yàn)樽冃螜C(jī)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(qiáng)度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)，而圓形微粒的塑性開(kāi)始與尺寸無(wú)關(guān)。此外，在幾個(gè)Gpa的應(yīng)力水平下，金屬?gòu)椥孕阅艿姆蔷€性變得非常明顯，導(dǎo)致壓縮和拉伸行為之間的不對(duì)稱(chēng)。

到目前為止，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上測(cè)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(qiáng)度。其中，Ni和Au的歸一化強(qiáng)度基本相同，而鉑的歸一化強(qiáng)度大約低一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些結(jié)果揭示了無(wú)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?zhuān)鶕?jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還沒(méi)有得出明確的結(jié)論。進(jìn)一步研究其他面心立方金屬的無(wú)缺陷納米顆粒對(duì)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(qiáng)度的塑性開(kāi)始階段。對(duì)位錯(cuò)形核后形成的嚴(yán)重變形組織的關(guān)注較少。這是可以理解的，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，塑性開(kāi)始之后是一個(gè)巨大而快速的位移破裂，使得實(shí)驗(yàn)上無(wú)法進(jìn)入中間變形階段。同時(shí)，最近對(duì)Ni-Co納米顆粒壓縮變形的原子模擬揭示了有趣的趨勢(shì)，例如合金化的軟化效應(yīng)和Ni-Co納米顆粒的溶質(zhì)誘導(dǎo)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(jiǎn)短的概述促使以前對(duì)原始金屬納米顆粒的微壓縮研究擴(kuò)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(shì)。本研究以面心立方銅納米粒子為研究對(duì)象。Cu(40-50mJ m?2)的層錯(cuò)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(qiáng)度可能更接近Au和Ni粒子，而不是鉑粒子的歸一化強(qiáng)度。這一假設(shè)將在這項(xiàng)工作中得到驗(yàn)證。此外，我們測(cè)試的顆粒物比以往任何一項(xiàng)研究都要多得多。這使我們能夠?qū)︻w粒強(qiáng)度的尺寸依賴關(guān)系進(jìn)行更準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)分析，并將結(jié)果與MD模擬進(jìn)行比較。由于先前的研究表明顆粒形狀對(duì)抗壓強(qiáng)度有很大影響，我們仔細(xì)檢查了顆粒形狀，只測(cè)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(yīng)分開(kāi)。此外，我們使用了最近發(fā)展的質(zhì)量顆粒壓縮方法來(lái)訪問(wèn)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(yù)測(cè)的顆粒微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。將以前的工作擴(kuò)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(jìn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及與當(dāng)前MD模擬的緊密結(jié)合，使我們能夠?qū)o(wú)缺陷金屬對(duì)象中的納米級(jí)變形機(jī)制有新的見(jiàn)解。

綜上所述，以色列理工學(xué)院Eugen Rabkin教授團(tuán)隊(duì)旨在探索鎳、金、鉑和銅納米顆粒之間歸一化剪切強(qiáng)度的一般趨勢(shì)，并檢驗(yàn)將其與層錯(cuò)能聯(lián)系在一起的假設(shè)。進(jìn)一步的假設(shè)是，在實(shí)驗(yàn)和原子模擬中確定的顆粒強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)應(yīng)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(cuò)成核、滑動(dòng)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(guò)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(shí)驗(yàn)載荷-位移曲線。(b)根據(jù)(a)項(xiàng)所示載荷-位移曲線計(jì)算的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)在分子動(dòng)力學(xué)模擬(顆粒尺寸可達(dá)100納米)和實(shí)驗(yàn)(尺寸為200-900納米)中獲得的銅納米顆粒的抗壓強(qiáng)度與其投影直徑的關(guān)系。粉紅色和藍(lán)色表示了顆粒強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)的兩個(gè)區(qū)域，由虛線垂直線分隔。(d)用代表理論剪切強(qiáng)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(yīng)力(CRSS)。

圖4.模擬壓縮試驗(yàn)不同階段的典型納米銅顆粒形狀。原子是由勢(shì)能著色的。

圖6 顯示納米顆粒壓縮過(guò)程中應(yīng)變軟化效應(yīng)和應(yīng)變硬化效應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖7 銅納米顆粒塑性變形的位錯(cuò)機(jī)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(yè)面，紅線表示雙邊界。(e)(111)反極圖。(f)(101)反極圖。藍(lán)色和紅色曲線分別顯示了母晶和孿晶的軌跡。

圖14 藍(lán)寶石襯底上壓縮誘導(dǎo)納米粒子旋轉(zhuǎn)的兩種機(jī)制示意圖，顯示出與基面取向成小的錯(cuò)切角度。(a)在單一的{111}面上滑移；(b)在兩個(gè){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(yīng)用固態(tài)除濕方法在基面取向的藍(lán)寶石襯底上制備了單晶面的銅納米顆粒。嚴(yán)重的塑性變形和隨之而來(lái)的表面滑移痕跡的形成導(dǎo)致了獨(dú)特的表面形貌，顯示出平滑的準(zhǔn)周期性納米級(jí)粗糙度。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，觸發(fā)粒子變形的第一位錯(cuò)可以在表面上形核，通常在小面邊緣或頂點(diǎn)附近，或者均勻地在角點(diǎn)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(shí)變形了大量的納米銅顆粒。