揭开在原子尺度结构材料超高强度与超高韧性的面纱

2017-08-01 09:24:24 科技日报         人气: 1881

      

大飞机、高铁、发动机、桥梁等的力学承载结构材料,都是由材料的不同性能而发挥着关键作用。众所周知,材料的微观结构决定了材料的宏观物性及其功能;而材料的微观结构则是由组成原子之间空间排列的晶体结构所决定。如何了解调控原子之间的晶体结构,是材料微观结构研究的重要课题和科学前沿。

       由于原子间的排列距离大约为2—3埃(0.2—0.3纳米),相当于头发丝的十万分之一,因此如何从物理上能够看到原子,探索原子或其团簇在外力作用下的演化规律,并在亚埃尺度精确操控由原子组成的结构材料一直是研究者追求的目标。

       由北京工业大学和浙江大学组成的“材料弹塑性微观机制研究团队”经过13年不懈的努力,发明了国际上该领域独有的“原子尺度材料力学性能实验系统”和相关技术,为解决这一世界难题提供了新的研究途径。

       该实验平台的“力学微驱动器”可以在电子显微镜下精准施加外力,驱动微纳米结构材料变形,并在原子尺度观察原子及其团簇的演化规律。该技术填补了多项国际领域空白,部分实验成果验证并发展了百年的理论预测,实现了技术与理论上的双突破。该项研究大幅度拓展了材料性能的提升空间,为提高国家重大基础材料与先进材料的研究搭建了新的科学实验测量调控系统, 该研究取得国家发明专利24项,国际专利4项,在2016年度北京市科学技术奖评选中,荣获一等奖。

       “原子眼”与“力学智能手”的完美结合

       原子是组成固体物质的基本单元,它的组成、排列方式决定了材料的宏观性能。材料的力学性能是许多关键结构材料应用的基础,例如:大飞机、高铁、桥梁、汽车结构件,也在许多功能性器件中起关键作用。如果能够精确认知原子在外力下的运动和演化规律,就可以优化乃至创新材料设计,大幅度提高材料的性能。

       自1803年道尔顿提出原子基本粒子理论至今已经过去200余年,人们试图观察、认知并操控原子的愿望与实践持续至今。透射电子显微镜是利用电子与原子交互作用,将被观察的物体放大100万倍以上,直接看到组成材料的原子排布及组成。

       经过百年的不断发展,电子显微镜的“视力(空间分辨率)”逐步提高,可以达到亚埃尺度(千亿分之一米)。然而, 这种显微镜虽然有好的“视力”,却缺乏可以操控原子的“力学智能手(微驱动器)”。

       一直以来,国际上许多科学家都在尝试给这种显微镜安装“力学智能双手”,但以现有的商业化技术,一旦给显微镜安装“力学智能手”后,会导致显微镜的“视力”严重下降,难以实现精准观察。 因此,实现原子的精准操控和观察,认知外力作用下原子的演化规律是一个世界性的实验瓶颈技术。

       张泽院士和韩晓东教授带领研究团队经过13年的不懈努力,改变固有思维,创造性的发展了“原子尺度材料力学性能实验仪器”,解决了上述实验瓶颈难题。在技术上既保证了透射电子显微镜的“视力”在施加外力时保持在“原子尺度”,又实现了“力学智能手”以“亚埃”步长精准控制材料变形。

       该技术体系填补了国际领域多个空白,实现了原子尺度下的“原子眼”与“力学智能手”的完美结合。在该技术的支撑下,研究团队与国际同行一起,开辟了“原子尺度材料力学性能原位实验研究”的新领域。

       纳米材料超常力学性能的“面纱”被揭开

       纳米材料是材料世界的后起之秀,它是指在三维空间中至少有一维是纳米尺寸(0.1—100nm)的材料或由它们作为基本单元构成的材料,被誉为21世纪最具潜力的新型材料,纳米材料的力学性能有可能达到材料的性能极限,并拥有体材料不具备的特殊优异物理化学性质。

       纳米多晶材料中原子的运动和演化规律,在过去仅能通过计算机模拟进行分析,模拟的准确性依赖于原子间作用势的准确程度等。“原子尺度材料力学性能实验系统”的成功研制帮助研究团队逐一揭开纳米材料超常力学性能的“面纱”。

       团队首次揭示了多晶纳米材料力学变形过程中原子的错排有律可循,实验发现纳米晶粒内部原子错位排列的极限尺寸小于理论预测的0.4%—0.6倍。这一发现说明多晶材料的极限强度可再度提高30%—50%,将推动更高强度结构材料的设计和发展。

       让材料研究如虎添翼

       半导体材料是信息材料世界中的“当家花旦”,硅则是那颗最耀眼的明珠,它支撑着半导体工业的发展。我们日常生活中的电子产品无一例外的与硅紧密相关。然而,硅材料像玻璃一样非常容易破碎。如何使得硅像金属一样柔韧并在纳米尺度进行精确加工是持续了近60年的重大科学问题。它直接决定了我们的电子产品的寿命、容量、运算速度以及是否可以突破摩尔定律的制约。

       利用“原子眼”与“力学智能手”揭示其原子排列规律的奥秘:发现硅在小尺度下及外界辅助条件下, 具有大应变能力,可以像金属材料一样柔韧,具备塑性变形能力,其应变能力为大体积硅材料应变的1000倍,具有潜在的机械加工特性。这种神奇的现象,在纳米氧化硅玻璃、碳化硅中也得以发现。

       课题团队对这类问题加以总结,揭示了一系列半导体材料的原子错排机理。为脆性材料的加工和应用提供了新思路,为受摩尔定律控制的半导体工业及器件的机械加工开辟了新途径。

       让晶体材料展现类似橡皮行为的超大弹性应变

       在晶体材料领域,科学家们一直有一个问题,晶体材料的最大弹性变形量是多少,这直接决定人类可以在多大程度上调控材料的性能。在近100年前,理论学家们就预测材料单轴拉伸变形量能达到10%左右,复杂限域条件下晶格应变可达17%。

       然而,这个理论从未被实验证实。100年来探索从未停止,直到2014年,课题团队开发并利用“原子眼”与“力学智能手”在国际首次实现了金属铜纳米线拉伸变形的原子操控,发现铜纳米线的弹性变形可达到7.2%。国际著名期刊Science撰文评价“这是金属材料中迄今能够实现的最大单轴拉伸弹性应变”。

       随后,团队发现这种类似的原子弹性切应变在镍孪晶纳米线中可达34%,是体材料晶格应变极限的10倍,该实验验证并解决了近百年前的理论预言难题。这些发现发展了晶体材料弹性变形及强度理论,将应变工程的应变极限提高了10倍。

       通过对材料原子结构的应变调控,金属材料外在的物理性能(如强度、韧性、能带结构等)都会随之变化和提高。航天飞机、轮船、高速列车将有更持久和更安全的服役性能,也会大幅度节约能源。

       为国家重大需求的基础材料和先进材料研发保驾护航

       在过去的十几年里,团队利用独特的设计理念,在国际领域原创性地发展了材料变形行为的原子操控技术,为人类进一步掀开材料世界里原子尺度演化规律的面纱提供了技术支撑。随着这项关键技术的应用和新材料的研制成功,不仅可以打破国际上少数国家在关键材料出口方面的垄断,同时为中国高端材料的研发和智能制造的进步,跻身世界材料研发强国,作出应有的贡献。

       原子尺度材料力学性能实验测量调控系统为发展高强高韧轻质,甚至在复杂极端环境下更多五彩缤纷的优异特性的材料奠定了国际领域独有的先进实验平台基础。