納米晶材料，由于晶粒的尺寸大大減?。ㄐ∮?00 nm），其室溫下的力學(xué)強(qiáng)度大大提高（依據(jù)Hall-Petch公式）。然而，伴隨著晶粒尺寸變小，抗蠕變性能卻有所下降，應(yīng)力條件下引起蠕變變形的臨界溫度也會(huì)大大降低。納米材料抗蠕變性能的退化，可以解釋為晶粒減小帶來(lái)的晶胞邊界增多，導(dǎo)致納米金屬材料的微觀不穩(wěn)定性，晶粒間更容易發(fā)生擴(kuò)散蠕變，滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。這一點(diǎn)限制了納米晶體材料的應(yīng)用范圍，尤其是在高溫領(lǐng)域中的應(yīng)用。

    近日，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的K. A. Darling和亞利桑那州立大學(xué)K. N. Solanki等人在Nature上報(bào)道了一種新型銅鉭合金（Cu-10 at% Ta），這種納米晶合金材料既能保持高機(jī)械強(qiáng)度，又滿(mǎn)足高溫抗蠕變性能，同時(shí)具有熱穩(wěn)定性。（Extreme creep resistance in a microstructurally stable nanocrystalline alloy. Nature, 2016, 537, 378-381, DOI: 10.1038/nature19313）

    先來(lái)看看作者的材料制備過(guò)程，簡(jiǎn)單整理如下：

    1）將制備的銅鉭納米晶粉末（Cu–10 at% Ta）在高能球磨機(jī)中低溫研磨4小時(shí)，球料比5:1，液氮控溫-196 °C。

    2）通過(guò)等通道轉(zhuǎn)角擠壓法（equal-channel angular extrusion，ECAE）將粉末壓成合金塊，模具350 °C預(yù)熱，粉末700 °C預(yù)熱（Ar氣環(huán)境40 min）。制備得到的合金中銅晶粒的平均尺寸為50 ± 17.5 nm，鉭晶粒尺寸分布在3.18 ± 0.86 nm到32 ± 7.5 nm之間。

    上述步驟需要在手套箱中進(jìn)行。

    稍微解釋一下“等通道轉(zhuǎn)角擠壓法”，該方法上世紀(jì)80年代由前蘇聯(lián)的Segal等人提出，90年代因?yàn)楸籚aliev等人用于亞微米級(jí)晶粒尺寸的鋁合金制備而引起關(guān)注。過(guò)程如下圖所示，由于加工過(guò)程中不改變材料的橫截面面積和截面形狀，故只需較低的工作壓力，就可實(shí)現(xiàn)材料的反復(fù)定向、均勻剪切變形，制備亞微米級(jí)和納米級(jí)晶粒的合金材料。

    再來(lái)看看該材料的抗蠕變性能。在0.5-0.64 Tm（melting temperature）溫度下，施加0.85%-1.2%的剪切模量，Cu-Ta納米合金表現(xiàn)出低于10-6s-1的穩(wěn)定蠕變速率，該速率比大部分納米晶金屬要低6-8個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)納米銅和納米銅鉭合金的計(jì)算，也驗(yàn)證了這一結(jié)論。

    總結(jié)：

    本文探索了納米合金微觀結(jié)構(gòu)的抗蠕變性能，設(shè)計(jì)出同時(shí)具備高機(jī)械強(qiáng)度和高溫抗蠕變的納米晶合金材料，有望為納米材料拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在航空航天、軍事和能源部門(mén)等方向。

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