2020年，北京高压中心/重庆大学第一篇Nature
小纳米
2020-02-27
第一作者：Xiaoling Zhou, Zongqiang Feng, Linli Zhu, Jianing Xu
通讯作者：陈斌、黄晓旭
通讯单位：北京高压科学研究中心、重庆大学
根据经典的Hall–Petch经验公式，超细晶粒金属的强度随着晶粒尺寸的减小而不断增强。这个一经验公式的临界尺寸为10-15 nm。也就是说，一旦尺寸降低到10 nm以下，金属的强度不增反降，导致材料软化。
这里面就至少存在一个问题：譬如微电子器件，对很多金属元件的要求都达到纳米尺度，这将不利于微型电子器件行业的发展。
为了解决这一问题，科学家进行了一系列探索。包括之前的卢柯院士团队发展的金属表面纳米化或者合金化策略，都在超小金属的稳定性领域取得了突破常规的重要进展。
然而，虽然国内外科研团队报道了一系列尺寸导致的金属强化的研究，但是金属强度与尺寸的关系并不清晰，不同科研团队之间的研究结果甚至有相互矛盾的现象。人们对于其中的增强机制，并未十分了然。1）难以得到高质量的超细晶粒金属样品用于传统的拉伸或硬度测试；2）难以从微观或者纳米尺度确定纳米晶粒金属的主要塑性变形机制。有鉴于此，北京高压科学研究中心陈斌研究员团队和重庆大学黄晓旭教授团队，联合复旦大学、浙江大学、吉林大学等多个科研团队，进一步研究了超细晶粒纯金属材料的强度和尺寸之间的关系，为今后发展超强纳米金属提供了重要指导。1）创造性地采用交叉学科中的高压实验方法，解决了超细晶粒金属材料的表征难题。2）首次将超强金属材料的尺寸降低到10 nm以下，在3 nm的尺寸实现了纳米纯金属的强化。当纯镍金属晶粒尺寸在3 nm时，可以实现高达4.2 GPa的超高屈服强度，比常规纯镍强度提高了一个数量级。3）发现实现这一异常现象的原因在于：高压变形促进了位错形成，抑制了晶界滑移。XiaolingZhou et al. High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals. Nature 2020.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2036-z
