晶粒尺寸一直是影響材料性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。通過細化晶粒引入大量晶界，可以阻礙位錯運動，從而強化材料。然而，大量研究表明，嚴重的塑性變形不能無限減小晶粒尺寸。對于低熔點純鋁（Al），當(dāng)塑性變形將晶粒細化至亞微米尺寸（200-1000 nm）時，進一步增加變形量并不能繼續(xù)細化晶粒。這主要是隨著晶粒尺寸減小，材料的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著降低。因此，迫切需要探索制備具有極小晶粒尺寸（＜10 nm）且穩(wěn)定納米晶的新方法。

最近的研究表明，對于塑性變形制備的納米金屬材料，當(dāng)晶粒尺寸小于某一臨界尺寸時，全位錯無法弓出，晶界通過發(fā)射不全位錯自發(fā)弛豫成低能態(tài)，從而晶粒越小越穩(wěn)定。這一發(fā)現(xiàn)為制備穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)金屬提供了一種可能性。最新研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu晶粒尺寸進一步減小至約10nm左右時，會形成一種由平均曲率為零的極小面和孿晶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，即受限晶體（Schwarz crystal）。這種多晶結(jié)構(gòu)同時具備超高硬度和熱穩(wěn)定性。然而，由于鋁的層錯能較高，位錯擴展形成不全位錯需要克服極高的能壘，傳統(tǒng)塑性變形條件下不易形成層錯或?qū)\晶，很難在純鋁中利用這種轉(zhuǎn)變機制獲得極細的穩(wěn)定納米晶。因此，期望通過調(diào)控塑性變形參數(shù)（如溫度、應(yīng)變速率和壓力等），在極低溫和高壓剪切條件下在高層錯能的純鋁中實現(xiàn)晶界的自發(fā)弛豫，從而突破傳統(tǒng)變形的晶粒細化極限尺寸。

在此，中國科學(xué)院金屬研究所材料科學(xué)國家實驗室盧柯院士團隊在純鋁中引入Schwarz晶體結(jié)構(gòu)。本工作采用低溫下的高壓扭轉(zhuǎn)制備具有極小晶粒尺寸的純鋁，通過降低變形溫度，增加變形壓力，可以有效抑制位錯的回復(fù)，降低位錯擴展形成不全位錯所需克服的能壘，并激活孿晶變形，從而促進晶粒細化，突破純鋁的晶粒的細化極限。相關(guān)工作以題為“Ultrahard and super-stable pure aluminum with Schwarz crystal structure”的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。

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https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2213729

圖1.受限晶體結(jié)構(gòu)鋁的微觀結(jié)構(gòu)特征：(a)典型的高分辨率透射電子顯微鏡圖片及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射；(b)晶粒尺寸分布圖；(c)典型HAADF-STEM圖，橙色虛線表示{111}晶面，橙色實線表示共格孿晶界面；（d）受限晶體結(jié)構(gòu)的高分辨圖；(e)單個晶粒的HAADF-STEM圖。

圖2.具有極小尺寸純鋁的粗化溫度以及屈服強度隨晶粒尺寸變化示意圖。

本工作利用低溫高壓強剪切的手段突破了純鋁的晶粒細化極限，制備出了具有受限晶體結(jié)構(gòu)的純鋁，其平均晶粒尺寸為6 nm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在晶粒尺寸為6 nm的樣品中觀察到圓形晶粒（圖1d），其單個晶粒呈現(xiàn)近截角八面體結(jié)構(gòu)（圖1e），這表明在純鋁中引入了受限晶體。對具有不同晶粒尺寸的樣品進行熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能研究，其結(jié)果如圖2所示。弛豫后的納米晶Al同樣存在反常的熱穩(wěn)定性，隨著晶粒尺寸的減小，熱穩(wěn)定性反而增加，當(dāng)引入受限晶體結(jié)構(gòu)時，其熱穩(wěn)定性接近熔點，且遵循“越小越強”的準(zhǔn)則，具有受限晶體結(jié)構(gòu)的納米晶Al的硬度值高達2.51 GPa。而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是受限晶體結(jié)構(gòu)由平均曲率為零的極小面和孿晶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，而晶界的遷移速率與曲率成正比，此外，孿晶同樣也具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，對晶界提供一定的約束作用，因而，晶界遷移被抑制，提供了良好的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。