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中科院金属所李秀艳团队：极小尺寸纯铂的晶粒几何形状与稳定性关系研究取得进展

材料学网 · 公众号 · · 2025-02-22 20:53

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在热涨落或外力的作用下，晶界的迁移速率𝑉取决于晶界运动能力 M 、晶界平均曲率 H 和晶界能量 γ ，其关系为 V=M*H*γ 。原则上，稳定的晶粒堆垛要求晶界上各点的表面张力保持矢量平衡。长期以来，Kelvin猜想由于具有极小面条件及棱边、顶点处表面张力处于平衡状态的特点，被认为是一种合理的解决方案。根据该猜想搭建由截角八面体晶粒组成的多晶材料，一直被认为是金属中唯一可能的稳定形状，这种结构被称为Kelvin晶体。

近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心李秀艳研究员团队将纯Pt晶粒尺寸细化至极小尺度时，首次在实验上发现并证实纳米尺度下Kelvin晶体的存在，并证明具有极小面晶界网络的Schwarz晶体是一种比由截角八面体晶粒堆垛的Kelvin晶体更稳定更普遍的亚稳态结构。相关工作以“Effect of Grain Geometry on the Stability of Polycrystalline Pt at the Nanoscale”为题发表在 Physical Review Letters 期刊上。

该团队通过冷轧和低温高压扭转两步变形法，将纯Pt平均晶粒尺寸分别细化至4 nm和2-3 nm的极小尺寸。大量透射表征结果显示，4 nm样品中晶粒仍具有锐利的边界和棱角，与传统的多晶结构类似。根据晶粒在形貌、堆垛方式、取向关系以及孪晶网络等方面证据，4 nm样品中的多晶结构被验证为典型Kelvin晶体构型（图1）。而2-3 nm样品的晶界呈现显著的随机流形结构特征，其晶粒堆垛方式及高密度孪晶网络与之前报道的纯Cu中Schwarz晶体一致（图2）。纯Pt的Schwarz晶体在1923 K（0.94倍熔点）下退火30 min后，晶粒尺寸、流形结构形貌等特征与制备态样品相比没有明显变化，而Kelvin晶体在温度高于1373 K后多边形的形貌特征消失。两者热稳定性差异主要来源于其自身能够抵抗热涨落的晶界结构不同。对于Kelvin猜想所使用的肥皂泡模型来说，截角八面体的表面张力是各向同性的，因此在三叉线和四极点处可保持力平衡条件，使得Kelvin猜想适用。但金属中的晶界能由于晶格取向是不同的，本质上是各向异性的。因此，Kelvin晶体结构一定会发生失稳，特别是在高温、热涨落被放大的情况下。另一方面，Schwarz晶体结构是没有三叉线和四极点的。其极小面的晶界与紧密排列的孪晶网络相结合，可以平衡晶格的各向异性和热涨落带来的驱动力，从而抑制晶界的迁移和滑动，最终显著提高结构稳定性。这个结果说明相较于传统多晶中认为的最稳定的Kelvin结构，具有随机流形特点的Schwarz晶体是一种更可靠更普遍的亚稳态结构。同时也说明晶粒的几何形状及其晶界网络在纳米尺度上对稳定多晶金属起着至关重要的作用。论文第一作者为金属所傅皇留助理研究员，通讯作者为李秀艳研究员、卢柯院士。周鑫副研究员、金属所博士生高智鹏和金朝晖研究员参与研究。该工作受国家自然科学基金杰出青年项目和中国科学院先导专项B类项目资助。

图1. 纯Pt中晶粒尺寸约为4nm的Kelvin晶体结构表征

图2. (a)-(c)纯Pt中晶粒尺寸为2-3 nm的Schwarz晶体结构表征；(d)不同初始晶粒尺寸纯Pt样品的晶粒尺寸随温度变化关系，KC：Kelvin晶体，SC：Schwarz晶体

来源： 中国科学院金属研究所