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Science：开火！为了更强更韧的梯度纳米结构
制备超高强度的材料一直以来都是材料科学家追求的目标，比如，将金属的晶粒降低至纳米级就可以有效提升金属材料的强度。然而，伴随着这种金属纳米晶结构强度和硬度的显著提高，塑性和韧性却显著降低，材料更容易发生脆性断裂，这些性能问题制约了纳米结构材料的应用和发展。为了解决这一问题，科学家们试图构筑多级梯度结构，即材料的结构单元尺寸（如晶粒尺寸或层片厚度）在空间上呈梯度变化，从纳米尺度连续增加到近宏观尺度（如纳米晶粒→亚微米晶粒→粗晶粒），与此对应，材料许多物理化学性质在空间上也呈梯度变化，有希望同时提高材料的强度和韧性。
近日，美国莱斯大学的Ramathasan Thevamaran和Edwin L. Thomas等科学家在Science杂志上发表文章，通过激光弹射冲击技术（laser-induced projectile impact test，LIPIT）将单晶银立方体变成具有梯度纳米晶结构（gradient nanograined structures）的样品。LIPIT以约400 m/s的超音速向坚硬的氧化硅“靶”射出微小的银立方体“子弹”，这些子弹是几乎没有缺陷的银单晶，边长仅为1.4 μm。“子弹”击中靶子之后，高速冲击会让它们的结构发生变形，得到梯度纳米晶结构。研究团队细致分析了高速冲击对金属变形和结晶的作用机理，以及沿不同晶面方向冲击对形变的影响。（Dynamic creation and evolution of gradient nanostructure in single-crystal metallic microcubes. Science, 2016, 354, 312-316，DOI: 10.1126/science.aag1768）
四位作者手持单晶的粘土模型，从左到右依次是Olawale Lawal、Ramathasan Thevamaran、Edwin Thomas和Sadegh Yazdi。图片来源：Jeff Fitlow/Rice University
Thomas团队在几年前开发出LIPIT装置，主要是通过发射高速“微子弹”来测试材料的强度，例如聚合物、石墨烯膜材料，这次研究对象变成了“子弹”本身。
LIPIT装置示意图(A)；Ag单晶立方体(B)沿不同方向冲击后SEM图片(C/D/E)。图片来源：Science
在高速冲击条件下，材料的变形机理至关重要，应用广泛，如在汽车和飞机防护技术，以及一些材料加工过程（喷砂、激光冲击强化技术、爆炸焊等）。研究团队通过Ag单晶立方体从[100]、[110]和[111]三个不同方向冲击后得到的颗粒（上图），研究了冲击方向对形变的影响。高速碰撞产生了非常大的压力，远远超过了材料的强度，并且由于冲击速度快、时间短（~1.5 ns），Ag晶体的形变接近绝热压缩，产生的较高温度来不及传递到氧化硅靶。这些导致了立方体的底部产生了高塑性，而顶部区域保留其初始的单晶结构，最终形成了梯度结构（上图）。
另外，弹性能量存储在材料中，在室温下可以引发一个连续的再结晶过程。研究者随后细致地分析了从[100]方向冲击后20小时、8天、44天样品内部结晶的变化。放置过程中晶体内部继续发生变形和重结晶，这些变化有助于减少贮存的弹性势能。44天后的电子衍射谱图表明，晶体内部出现了较大的单晶结构，纳米晶逐渐完成了向单晶的转变。
冲击变形20小时后，样品横截面的TEM图像和衍射图，可以看出明显的单晶→孪晶的变化趋势。图片来源：Science
梯度晶体结构的建立可以更好地分布应力，增强材料的强度和韧性。他们的研究对高速冲击产生的晶体形变机制提供了新的认识，纳米结构转变也为高强度和高韧性的梯度纳米结构金属的制备过程提供了新的思路。
1. http://science.sciencemag.org/content/354/6310/312
2. http://phys.org/news/2016-10-metallic-cubes-toughens.html
（本文由小希供稿）