當地時間8月6日，頂級學術期刊《科學》(Science)發表了壹篇題為《用過飽和al–mg合金中的施瓦茨晶體結構抑制原子擴散》的研究報告，為解決高溫下金屬中高原子擴散率導致的不穩定性提供了壹種新方法。
本研究報告的通訊作者為中國科學院金屬研究所博士生導師盧柯院士和李秀妍研究員。
盧柯20多年來壹直致力於金屬納米材料的研究，在學術期刊上發表了400多篇論文，獲得了40多項發明專利。曾獲Acta Materialia金獎、洪堡研究獎、首屆香港求是基金會傑出青年學者獎、亞穩態與納米材料國際年會ISMANAM金獎、中國青年科學家獎、賀亮合力基金會科技進步獎、第三世界科學院TWNSO科技獎。2020年，盧柯因開創性地發現並利用納米孿晶結構和梯度納米結構實現銅金屬的高強度、高韌性和高導電性而獲得“材料科學獎”。
2018至6月5438+00，盧柯任遼寧省人民政府副省長，負責科技、體育等方面工作。分管遼寧省科技廳(外國專家局)、體育局、重大技術創新和R&D基地建設工程中心(工業技術研究院)。
論文中寫道，由於原子間鍵的性質，金屬中的原子擴散率明顯高於陶瓷和具有價鍵或離子鍵的化合物。在合成和後續處理過程中，通過調節擴散控制過程，使結構在不同的長度尺度上具有很大的可調性，從而使金屬材料具有廣泛的性能。例如，鋁合金在接近室溫時通過金屬間化合物的沈澱而硬化。在形變熱處理中，通過控制擴散相變可以廣泛地調節鋼的強度和塑性。
然而，當金屬暴露於高溫或機械負載時，高原子擴散率使得金屬的結構和定制性能不穩定。這種不穩定性是金屬材料發展的主要瓶頸，極大地限制了其在高溫下的技術應用。
研究小組提到，抑制金屬中原子的擴散是壹個挑戰，尤其是在高溫下。與更開放的結構相關的界面或晶界(GBs)被認為是原子相對於晶格的快速擴散通道。通過優化其它元素的晶界偏析，可以減緩沿晶界的擴散。但隨著合金化程度的增加，第二相形成的趨勢增強，界面合金化受到限制。
通過形成單晶來消除擴散界面被認為是降低擴散速率的標準策略，例如，在渦輪發動機的高溫應用中制造超級合金單晶葉片的實踐。然而，研究小組認為，即使在單晶金屬中，其高擴散性也無法在更高的溫度下得到抑制。在更高的同源溫度下，晶格中的平衡空位濃度顯著增加，這必然增加原子的擴散速率。
2020年，盧柯等人在《科學》上的壹項重要成果表明，他們在純銅中發現了壹種晶粒非常細小的亞穩態結構，即施瓦茨晶體結構。研究小組提到，雖然它包含極高密度的界面，但這種結構在接近熔點的高溫下表現出非常高的熱穩定性，以防止晶粒粗化。
因此，研究小組認為，研究這種穩定的Schwarz晶體結構是否能夠抑制高溫下合金中原子的擴散是非常有意義的。
樣品SC-8的結構表征。
在這項最新研究中，研究團隊使用高壓扭轉裝置，在77K和10GPa的靜水壓力下，使單相過飽和Al-Mg (Al-Mg)合金變形。當施加的應變超過~20GPa時，合金樣品的組織細化到納米級，樣品中形成軸近似相等的隨機取向的納米晶粒。粒徑分布均勻，平均粒徑為8nm(樣品SC-8)。通過壹系列的分析和測試表明，過飽和的Mg原子均勻地分布在納米晶組織中，而不是像其它室溫變形的Al-Mg合金那樣聚集或分散在GB上。
鋁是壹種具有高擴散性的金屬，鎂是其擴散性最強的合金元素之壹。研究組觀察到了過飽和鋁鎂合金的擴散行為，具有Schwarz晶體結構。研究了不同溫度下金屬間化合物的擴散過程，如沈澱、晶粒粗化和熔化。
退火過程中樣品的結構演變。
發現這種最小界面結構不僅能使過飽和Al-Mg合金中原子的表觀跨界擴散速率降低約7個數量級，而且在高於熔點的溫度下，合金結構保持不變。
認為在這種過飽和Al-Mg合金中的觀察結果與我們團隊在純銅Schwarz晶體樣品中觀察到的結果壹致，是壹個自擴散控制的過程。
樣品晶格常數和晶粒尺寸的穩定性。
其中提到，金屬中的Schwarz晶體結構的非擴散特性，對於理解界面中的基本擴散過程和固態輸運動力學，尤其是高溫下的擴散過程具有重要意義。施瓦茲晶體似乎提供了壹個阻止金屬和替代合金中原子擴散的固體屏障，提高了熔點溫度的穩定性，遠高於傳統合金。
盧柯和其他人認為，利用施瓦茲晶體結構開發先進的鋁和其他合金將使這些材料在高溫應用中具有有益的特性。
退火後樣品的元素分布。
值得註意的是，這是盧柯自2000年以來在《科學》雜誌上發表的第13篇文章。此外，他還於2010年在另壹份頂級期刊《自然》上發表了1篇文章。盧柯，56歲，1985南京理工大學金屬材料及熱處理專業畢業，1990獲金屬專業工學博士學位。2003年當選中國科學院院士(最年輕的院士)，2005年當選德國科學院院士，2006年受聘美國《科學周刊》評審編輯，2018當選美國國家科學院外籍院士。
校對:張