文|奉命说史

编辑|奉命说史

前言

随着科技的飞速发展，对材料的力学和物理性质提出了更高的要求，纳米结构金属材料性能的探索及优化已成为时代的需求。

纳米材料通常指三维空间内的某一体系，至少有一个方向的尺寸处于纳米范畴，这与0-100个原子紧密排列所构成体系的尺度接近；另外，以这个体系作为基本单元所形成的材料也被称作纳米材料。

纳米晶金属材料亦属于晶体材料的一种，而晶体材料是结晶物质所形成的一种固体材料。

其内部的组成包括原子、分子、离子或粒子集团等，其排列方式符合周期性规则，这一本质特征决定着晶体材料的宏观和微观特征以及其物理特性。

因此，晶体材料的力学性能具有各向异性，而金属纳米结构不同晶体方向进行加载时。

由于原子排列遵循的规则并不一致，导致原子间相互作用存在较大差异，从而变形过程表现出不同的微观机制，导致力学性能存在较大差异。

Al纳米结构亦为纳米结构金属材料的重要组成之一，同样存在上述性质，力学、热学等性能都有着较好的表现，从而成为现阶段一维纳米材料研究的热点问题，多个领域呈现出广阔的应用前景。

此外，纳米结构金属材料作为纳米原件的原材料，根据纳米单元结构组合和构造规则，进一步研究和认识组合及构造方式对性能的影响，再采用最适合的组合和构造形式以得到性能最好的纳米原件，以便于更好地满足人们日常生产、生活的需要。

通常，粗晶材料在拉伸载荷下，随着晶粒尺寸减小，材料的强度增加，我们把这种关系定义为Hall-Petch关系。

但随着晶粒尺寸减小，纳米晶材料的力学行为与这关系并不相符，出现出这一不同现象的原因是随着晶粒尺寸减小，纳米尺度下晶粒内部能够容纳位错的能力受到极大抑制。

然而，Hall-Petch公式用以表征位错容纳空间处于理想状态下的情况，这是由于其推导过程是基于位错塞积理论而完成，并不适用于极小尺寸下纳米晶材料的变形过程。

另外，纳米晶材料的界面体积分数较大，也就是晶界原子的体积分数较高，变形时很容易出现晶界迁移，应力释放，故纳米材料强度减小。

显然，对同一种材料来说，提高其强度往往是以降低其韧性为代价，晶粒细化虽然赋予了材料极高的强度，但同时亦伴随着材料塑性变形能力的降低，这将使得纳米结构金属材料的实际应用受到极大限制。

纳米孪晶金属

学者2004年在超细晶粒的金属Cu中制备了纳米孪晶结构，研究结果表明孪晶结构的引入导致Cu纳米晶具有超高强度，同时表现出良好的塑性。

孪晶结构的发现最早突破了纳米晶材料塑性上的局限性。随后的工作亦证实了孪晶结构的通常使得纳米结构金属材料表现出超高强度和良好的延展性的很好结合。

对于孪晶结构，两个晶体（或一个晶体的两部分）遵循镜面对称位向关系，即一种特定取向关系的公共晶面，根据组成结构分为“共格孪晶”和“非共格孪晶”。

共格孪晶本质上是独特的大角度晶界，孪晶面上的原子为两个晶体所共有，同时位于两个晶体点阵的结点上。

因此，共格孪晶面的结构符合自然完全匹配，即不会出现原子错排现象，又称作完全共格晶面，从而导致仅有普通晶界1/10大小的晶界能，及相对稳定结构的必然结果。

孪晶界作为一种特殊的共格晶界具有很好的稳定性，对位错滑移存在类似于常规晶界的有效阻碍效果，导致变形机制发生改变，这使材料的力学性能提升的本质原因。

纳米尺度孪晶界的引入，使得纳米材料变形过程中的微观机制发生变化，为达到纳米材料高强度和高韧性的协同提高发挥了重要作用。

因此，利用孪晶结构使得纳米晶金属和合金材料具备超高强度以及良好的塑性，开拓了纳米材料力学性能强化的新方式，对于实际应用具有重大意义。

此外，大量研究表明，孪晶间距、孪晶角度等孪晶排列方式的改变，对于纳米结构力学性能的优化作用具有至关重要的影响。

加载方向的影响

纳米结构金属材料的力学行为是影响其应用的重要因素之一，而金属纳米线作为单晶纳米结构具有各向异性，目前关于加载晶向对纳米结构金属材料力学行为的影响已有大量研究。

纳米结构之所以沿不同加载晶向呈现不同的力学行为，往往是变形过程微观机制的差异所导致。

在纳米结构拉伸过程，金属Ni、Cu、Au和Ag沿晶向拉伸时主要呈现以位错形核和传播为主导的变形机制，拉伸时均呈现孪晶化主导的变形机。

Au和Cu纳米结构沿晶向拉伸时，在变形早期呈现位错滑移形成堆垛层错为主导的塑性变形，晶向Cu纳米结构的模拟计算发现，长度为20nm的纳米结构变形早期位错滑移出现层错，最终在位错和层错的作用下发生剪切破坏。

通过对有限元模拟和分子动力学模拟方法对Ta进行研究，亦发现不同晶向拉伸时呈现出不同的微观变形机制。

通过对单晶Cu纳米柱研究，阐明了不同晶向变形过程激活滑移面的情况大不相同，这也是出现不同微观变形机制的重要原因。

另外，证实了纳米结构材料的各向异性取决于材料各自的微观结构特征，故微观结构是决定纳米结构力学性能的本质原因，且二维雕塑薄膜弱面和韧面原位弯曲实验应力-挠度曲线也表明，不同面呈现出不同的实验应力。

同时，对于同一晶向纳米结构金属材料的不同研究经常呈现不同结果。

研究表明，Ni、Cu纳米结构沿晶向拉伸过程中出现重定向现象，但较低层错能的Au纳米结构中堆垛层错会阻碍孪晶面的滑移，进而影响纳米线重定向的发生。

通过对晶向Ag纳米结构的实验研究发现，纳米结构的截面形状对其变形机制有重要影响，菱形截面宽与高的比值较小时呈现孪晶化变形机制，随着比值增大变形机制逐渐转变为位错滑移。

这些不一致的结果很大程度是由于纳米结构的力学行为受环境温度、应变速率和几何形状等因素的影响，不同的研究中采用了不同的模型和加载条件。

然而，当前对纳米结构金属材料的研究主要集中在层错能较低的Ni、Cu、Au和Ag等体系，而具有较高层错能的Al纳米结构由于其易氧化性在实验中较难制备，目前对其力学行为研究较少。

最近研究表明晶向Al纳米线的拉伸变形由70.53 的Z型孪晶主导，基于纳米结构的位错成核理论构建了综合考虑堆垛错能、晶粒尺寸和晶向的特征参量。

我们定义为Ω因子，从而对纳米结构变形过程的微观结构进行预测，预测和模拟结果均表明，不同晶向进行拉伸时纳米线呈现出不同的变形机制，如下图所示：

另外，直径为8nm的晶向Al纳米线在变形过程发生方向的重定向。

通过对不同晶向具有孔洞的Al纳米晶进行模拟，结果发现晶向不同Al纳米晶表现出不同的力学性能。

孪晶界面的影响

纳米结构金属材料相较于传统金属强度得到了大幅提升，但塑性却仍显不足，近年来大量研究表明孪晶界面可以有效促使纳米结构的强度和塑性发生较大提高。

通过实验上发现了具有超高强度的纳米孪晶Cu，同时表现出良好的塑性；2009年在此基础上合成了不同孪晶间距的纳米孪晶，孪晶厚度从94nm到4nm不等。

结果表明，纳米孪晶Cu的孪晶间距不同时，随着孪晶间距的减小，其强度先增强，在孪晶间距λ=15nm处达到最大，然后随着孪晶间距的进一步减小而降低，如下图所示；

变形过程在Hall-petch关系中纳米孪晶Cu的强度主要由纳米级孪晶通过位错滑移转移机制决定，其强化阶段类似于晶界强化机制，而软化阶段则由位错滑移导致的孪晶迁移或退孪生导致。

本文研究工作目的和意义

综上所述，Al作为一种高比强度、强量化、耐腐蚀的材料，是一种用途广泛的重要材料之一。

且Al纳米线和块体纳米孪晶Al作为纳米尺度材料同样具有纳米材料的优异性能，以致在航空、航天、汽车及其电子等多个领域具有重要的应用前景。

而Al纳米结构材料的力学性能是影响其应用的重要指标之一，故研究Al纳米线和纳米孪晶Al的力学性能和微观结构具有重要的意义。

但是，实验研究由于样品制备，还有试验条件，以及测试技术的局限性，想要给出具体、普适的力学规律显然不易，更难以观测与纳米材料的力学性能息息相关的微观结构演变过程。

然而，计算机模拟可以有效突破实验限制，很好表征出对应的力学性能和微观结构演变过程，故计算机模拟已经是现阶段纳米材料研究重要且不可替代的手段之一。

金属纳米线作为单晶纳米结构具有各向异性，不同晶向由于原子排列的不同，其相互作用势存在较大差异，因此晶向对其力学性能具有显著影响。

此外，孪晶结构的引入对于纳米金属强度、塑性的提升意义深远，而我们发现孪晶间距不同对于纳米结构的强化作用并不一致，其塑性和孪晶间距的变化曲线亦因温度、平均晶粒尺寸和堆垛层错能的不同而发生改变。

现阶段纳米结构金属材料的研究主要集中在低层错能材料，具有较高层错能Al纳米线沿不同晶向的力学性能尚未充分讨论。

另外，孪晶间距对于纳米孪晶Al拉伸时力学性能的影响，以及温度对塑性和孪晶间距变化曲线的影响仍不明确。

本文通过分子动力学方法研究了不同晶向Al纳米线，以及不同孪晶间距块体Al孪生纳米晶和不同温度下纳米孪晶Al的力学行为以及变形机制。

从理论上给出了不同晶向纳米线的力学性能，以及孪晶间距和温度对纳米孪晶Al晶强度和塑性的影响，从强度，以及塑性等方面，探索拥有最优性能的纳米材料，为高性能材料的制备，以及实际应用等方面提供了可靠的理论依据。