卢柯院士再发顶刊研究：解决高温下金属材料应用主要瓶颈
澎湃新闻记者 贺梨萍
2021-08-06 17:53 来源：澎湃新闻
相对于陶瓷和具有共价键或离子键的化合物，原子间键的性质使得金属中的原子扩散率更高。这种高扩散率使得金属结构在不同长度尺度上具有很大的可调性，然而也带来结构和定制性能的不稳定。这种不稳定性是金属材料发展的主要瓶颈，极大地限制了它们在高温下的技术应用。当地时间8月6日，顶级学术期刊《科学》（Science）发表了中科院金属研究所的一篇研究报告（Report），题为“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys”，该研究为解决高温下金属中高原子扩散率带来的不稳定性提供了新的方法。该研究报告的通讯作者为中科院金属研究所博士生导师卢柯院士和李秀艳研究员。卢柯致力于金属纳米材料研究二十余年，在学术刊物上发表论文400余篇，获得发明专利40余项。曾获Acta Materialia金质奖章、德国洪堡研究奖、首届香港求是基金会“杰出青年学者奖”、国际亚稳及纳米材料年会ISMANAM金质奖章、中国青年科学家奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、第三世界科学院TWNSO技术奖等奖项。2020年，卢柯因开创性的发现和利用纳米孪晶结构及梯度纳米结构以实现铜金属的高强度、高韧性和高导电性，获未来科学大奖“物质科学奖”。2018年10月至今，卢柯任辽宁省人民政府副省长，负责科技、体育等方面工作。分管辽宁省科学技术厅（外国专家局）、体育局，重要技术创新与研发基地建设工程中心（产业技术研究院）。论文中写道，由于原子间键的性质，相对于陶瓷和具有共价键或离子键的化合物，金属中的原子扩散率明显更高。在合成和后续处理过程中，通过调节扩散控制过程，使得结构在不同长度尺度上具有很大的可调性，从而使金属材料具有广泛的性能。例如，铝合金在室温附近通过金属间化合物析出而硬化。在热机械处理中，通过控制扩散相变可以广泛地调节钢的强度和塑性。然而，当金属暴露在高温或机械载荷下时，高原子扩散率使得金属的结构和定制性能不稳定。这种不稳定性是金属材料发展的主要瓶颈，极大地限制了它们在高温下的技术应用。研究团队提到，抑制原子在金属中的扩散是一项挑战，尤其在高温下。与更开放的结构相关联的界面或晶界(GBs)被认为是原子相对于晶格的快速扩散通道。通过优化其他元素的GB偏析，可以减缓沿GB的扩散。然而，随着合金化程度的增加，第二相形成的趋势增加，界面合金化也受限。通过形成单晶消除扩散界面被认为是降低扩散率的标准策略，例如，在涡轮发动机的高温应用中制造高温合金单晶叶片的实践。然而，研究团队认为，即使在单晶金属中，在较高的温度下也不能抑制其高扩散率。在较高的同源温度下，晶格中的平衡空位浓度显著增加，不可避免地提高了原子的扩散率。就在2020年，卢柯等人在《科学》上的一项重要成果显示，他们在纯铜中发现了一种极细晶粒的亚稳态结构，即Schwarz晶体结构。研究团队提到，尽管它包含极高密度的界面，但这种结构在接近熔点的高温下表现出非常高的热稳定性，以防止晶粒粗化。因此，研究团队认为，研究这种稳定的Schwarz晶体结构是否能够抑制合金中原子在高温下的扩散是很有意义的。样品SC-8结构表征。
在这项最新的研究中，研究团队使用高压扭转装置，在77K静水压力10GPa的静水压力下，使得单相过饱和的Al-Mg（铝-镁）合金变形。当施加的应变超过~20GPa时，合金样品结构被细化到纳米尺度，样品中形成了近似等轴的随机取向的纳米晶粒。粒径分布均匀，平均粒径为8nm（样品SC-8）。通过系列分析测试表明，过饱和的Mg原子均匀地分布在纳米晶结构中，而不是像其他室温变形的Al-Mg合金中那样在GB上聚集或分散。AI是一种高扩散率金属，Mg是其最扩散的合金元素之一。研究团队观察了具有Schwarz晶体结构的过饱和Al-Mg合金的扩散行为。在不同的温度下，研究了金属间化合物的析出、晶粒粗化和熔化等扩散过程。样品退火时结构演变。
研究发现，这种最小界面结构不仅能够使过饱和的Al-Mg合金中的原子表观跨界扩散率降低了约7个数量级，而且合金结构在高于熔点的温度下保持不变。研究认为，这种过饱和Al-Mg合金中的观察结果与团队之前在纯铜Schwarz晶体样品中观察到的抑制粗化直至熔点的纳米晶粒的观察结果相一致，这是一个自扩散控制的过程。样品晶格常数和晶粒尺寸的稳定性。
论文提到，金属中Schwarz晶体结构的无扩散特性对于理解界面中的基本扩散过程和固态传输动力学具有重要意义，特别是在高温下。而Schwarz晶体似乎为阻止原子在金属和替代合金中的扩散提供了一个坚固的屏障，提高了熔点温度的稳定性，这种稳定性远高于传统合金。卢柯等人认为，利用Schwarz晶体结构开发先进的铝和其他合金，将使材料在高温应用中具备有益性能。样品退火后元素分布。
值得注意的是，这是卢柯2000年以来在《科学》杂志上发表的第13篇文章，此外其还于2010年在另一顶级期刊《自然》（Nature）发表过1篇文章。卢柯现年56岁，1985年毕业于南京理工大学金属材料及热处理专业，1990年在金属所获工学博士学位，2003年当选中科院院士（当选年龄最年轻的中科院院士），2005年当选德国科学院院士，2006年被聘为美国Science周刊评审编辑，2018年当选美国国家科学院外籍院士。 (本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)