近期，蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室薛紅濤副研究員與中科院金屬所沈陽材料科學國家研究中心盧柯院士團隊合作的原創(chuàng)性研究成果“Breaking the purity-stability dilemma in pure Cu with grain boundary relaxation”在國際材料科學領(lǐng)域頂級期刊《MaterialsToday》（影響因子IF=31.041）在線發(fā)表。該研究工作是由國家重點實驗室與沈陽材料科學國家研究中心合作完成，薛紅濤博士為第三作者，參與完成了該成果中分子動力學模擬的研究工作，通訊作者為沈陽材料科學國家研究中心主任盧柯院士和我校柔性引進專家李秀艷研究員。
現(xiàn)代制造業(yè)對高純度金屬（如濺射靶材、生物植入材料、高導電金屬等）的需求越來越大。然而，高純和超高純金屬的加工和應用受到一個眾所周知的困境的制約，即金屬的純度越高，其熱穩(wěn)定性和強度越差，簡稱純度-穩(wěn)定性困境。比如，隨著冷拔純Cu中雜質(zhì)Sn濃度從118 ppm降低至7 ppm，其再結(jié)晶溫度由623 K下降至538 K；當Al的純度由2N升高到5N，其硬度下降約30%。目前常用的細化晶粒方法雖可以有效提高純金屬的硬度且能夠擺脫對傳統(tǒng)合金化方法的依賴，但其依舊未能打破純金屬的純度-穩(wěn)定性困境。
團隊前期研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控晶界結(jié)構(gòu)（晶界馳豫）可以實現(xiàn)納米金屬的穩(wěn)定化。在這項工作中，薛紅濤副研究員與金屬所盧柯院士團隊分工合作，通過“模擬+實驗”的方式，探索了納米純Cu中晶界弛豫能否作為一把鑰匙，解開純金屬的純度-穩(wěn)定性困境。實驗研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過晶界馳豫的納米純Cu表現(xiàn)出與傳統(tǒng)納米Cu截然相反的純度-穩(wěn)定性/硬度關(guān)系，即晶界馳豫使納米純Cu的晶粒長大溫度（熱穩(wěn)定性）和顯微硬度隨純度的升高（2N到6N）而升高。為什么經(jīng)過晶界馳豫的納米純Cu會表現(xiàn)出反常的雜質(zhì)效應——越純越穩(wěn)定呢？分子動力學模擬給出了答案。模擬發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)原子容易在晶界處偏析，對晶界馳豫具有顯著抑制作用。納米Cu的純度越高，其雜質(zhì)含量越低，雜質(zhì)原子對晶界馳豫的抑制作用越弱，經(jīng)過充分晶界馳豫的純Cu因此具有更高的穩(wěn)定性。這項研究工作不僅突破了高純金屬中一直存在的純度-穩(wěn)定性相悖難題，而且為穩(wěn)定高純金屬、拓寬其先進加工和應用窗口提供了新思路。該工作得到國家重點研發(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學問題”重點專項的支持。（撰稿：薛紅濤，審核：石玗）
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.03.002
甘公網(wǎng)安備 62010002000207號
