郭鑫，楊攀峰，羅建華，盧學(xué)峰

(蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

多晶體材料強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系可用霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式來(lái)表示，但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，都在微米級(jí)晶粒尺寸下研究?jī)烧叩年P(guān)系，而更小晶粒尺寸下的材料性能關(guān)系還無(wú)法判定，隨著材料制備新技術(shù)的研究與探索，發(fā)現(xiàn)納米尺度下材料的強(qiáng)度更高(與Hall-Petch公式不符)，因此引發(fā)了研究人員廣泛地關(guān)注，使其在材料科學(xué)領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色[1-5]。

納米銅微粒制備技術(shù)還不成熟，因此，合成形貌和尺寸可控的銅納米材料已成為研究熱點(diǎn)[6-10]。而實(shí)驗(yàn)之前對(duì)其進(jìn)行計(jì)算模擬，可降低實(shí)驗(yàn)成本，鑒于此，本文針對(duì)銅孿晶作用機(jī)制及其分子動(dòng)力學(xué)模擬研究進(jìn)行了綜述。

1 孿晶及其作用機(jī)理

孿晶是指兩個(gè)晶體(或一個(gè)晶體兩部分)沿著公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱(chēng)的位向關(guān)系，效果是起硬化和降低塑性作用。各種不同類(lèi)型的晶界中，孿晶界面的優(yōu)勢(shì)在于維持強(qiáng)度、韌性以及導(dǎo)電性能等[11]，可使材料展示出良好的熱學(xué)和力學(xué)的穩(wěn)定性，尤其當(dāng)尺寸減小到納米級(jí)別時(shí)，界面原子所占的比例變大，孿晶界的作用越發(fā)明顯[12]。通過(guò)將孿晶界引入納米結(jié)構(gòu)材料，既能作為促進(jìn)塑性變形的位錯(cuò)源，又能成為位錯(cuò)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)的障礙，能同時(shí)提升材料的強(qiáng)度和韌性[13]。納米孿晶金屬優(yōu)異的綜合力學(xué)性能在于其獨(dú)特的塑性變形方式，位錯(cuò)-孿晶界的交互作用是決定納米孿晶金屬宏觀(guān)性能的本征原因，而這從根本上與多晶體材料中晶格位錯(cuò)以及位錯(cuò)-晶界之間的交互作用是不一致的[14]，孿晶界面上位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中與外加切應(yīng)力以及位錯(cuò)塞積的數(shù)量成正比這一點(diǎn)與晶界強(qiáng)化是相似的，隨孿晶片層厚度減小，孿晶內(nèi)部可塞積位錯(cuò)數(shù)量逐漸減少，位錯(cuò)穿過(guò)孿晶界所需外加應(yīng)力提高，當(dāng)孿晶片層變薄以至于位錯(cuò)塞積無(wú)法形成時(shí)，將需要較大的外加應(yīng)力促使單個(gè)位錯(cuò)穿過(guò)孿晶界。模擬結(jié)果也表明，當(dāng)位錯(cuò)穿過(guò)孿晶界時(shí)，根據(jù)入射位錯(cuò)的性質(zhì)和類(lèi)型不同，在孿晶界上出現(xiàn)可滑移位錯(cuò)即不全位錯(cuò)、固定不可動(dòng)位錯(cuò)或位錯(cuò)鎖、相鄰孿晶片層內(nèi)的層錯(cuò)等[15]。

2 孿晶界對(duì)變形機(jī)制與變形行為的影響

在拉伸塑性形變過(guò)程中，孿晶界既能作為位錯(cuò)源又能阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，同時(shí)孿晶界的存在對(duì)變形行為也有著重要的影響。Sun 等[16]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了孿晶Cu納米線(xiàn)的斷裂變形行為，發(fā)現(xiàn)孿晶納米線(xiàn)的斷裂行為和延展性與孿晶間距密切相關(guān)。Song等[17]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬考察了相干孿晶界(TB)間距和堆垛層錯(cuò)(SF)間距對(duì)銅納米線(xiàn)(NWs)變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于含有TB和SF的銅NWs，機(jī)械性能分別有最佳的TB間距和SF間距，并且含有交替TB和SF的銅可以達(dá)到更高的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變。Sainath等[18]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬了銅納米柱變形的孿晶界效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)孿晶界的引入使銅納米柱的塑性變形方式從孿生變成滑移，并且這種變形行為差異主要是由孿生納米柱中形成梯桿位錯(cuò)及其解離導(dǎo)致的。聞鵬等[19]采用分子模擬方法研究了納米多晶銅的超塑性變形行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶粒尺寸>14.85 nm時(shí)，納米多晶銅的變形機(jī)理以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主；除此之外，變形機(jī)理以晶界運(yùn)動(dòng)為主，變形行為機(jī)制的改變正是納米多晶銅出現(xiàn)軟化現(xiàn)象根本原因。何安民等[20]使用分子模擬考察了單晶銅薄膜在雙向等軸拉伸應(yīng)變下的塑性變形行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變超過(guò)一定值時(shí)，單晶銅內(nèi)部出現(xiàn)了位錯(cuò)、層錯(cuò)及孿晶；當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)大量堆積層錯(cuò)及孿晶后，較大孿晶的密排面上的原子也會(huì)發(fā)生滑移，形成孿晶內(nèi)層錯(cuò)結(jié)構(gòu)以釋放殘余應(yīng)力。Zhang等[21]通過(guò)模擬技術(shù)對(duì)含孿晶的銅納米線(xiàn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在拉伸載荷作用下，當(dāng)孿晶界間距變得越小時(shí)，納米線(xiàn)在塑性形變區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力越低。Garritt等[22]采用計(jì)算模擬來(lái)研究室溫下孿晶界對(duì)單軸應(yīng)變下柱狀納米晶銅變形的作用，發(fā)現(xiàn)納米孿晶通過(guò)改變基本變形機(jī)制及其在應(yīng)變調(diào)節(jié)中的貢獻(xiàn)來(lái)影響納米晶銅的力學(xué)行為。Zhao等[23]通過(guò)模擬來(lái)闡明納米孿晶銅的變形機(jī)制，形變孿晶在具有特定結(jié)晶學(xué)取向的納米孿晶Cu的塑性變形中起主導(dǎo)作用，孿晶是通過(guò)位錯(cuò)與孿晶界之間的交互作用形成的。Fang等[24]采用分子模擬對(duì)納米孿晶銅雙晶體進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)TB缺陷對(duì)納米孿晶Cu變形機(jī)制的影響隨著孿晶界面間距減小及應(yīng)變硬化增加或在加工過(guò)程中TB缺陷密度的增加而變得更加突出。Zhang等[25]采用分子模擬技術(shù)觀(guān)察具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的雙峰納米孿晶Cu的變形過(guò)程，發(fā)現(xiàn)高密度的TB和粗大的納米孿晶的體積分?jǐn)?shù)可增加雙峰納米孿晶Cu的強(qiáng)度，并且雙峰納米孿晶銅的變形機(jī)制與TB方向有極大關(guān)聯(lián)。

3 孿晶界對(duì)材料性能的影響

孿晶與孿晶界的存在對(duì)材料性能的影響吸引了研究者的廣泛興趣，孿晶的形成和堆垛層錯(cuò)有密切的關(guān)系，Wu等[26]通過(guò)分子模擬研究了剪切加載下堆垛層錯(cuò)在具有共格孿晶界的雙晶銅中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)較低的臨界應(yīng)力是由堆垛層錯(cuò)四面體(SFT)所導(dǎo)致的，且增大四面體尺寸可以降低臨界應(yīng)力，隨相干孿晶界向?qū)渝e(cuò)的持續(xù)遷移導(dǎo)致其發(fā)生失效。鄒蓉等[27]利用分子模擬方法考察了旋轉(zhuǎn)晶界角對(duì)銅孿晶納米線(xiàn)拉伸加載力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著旋轉(zhuǎn)晶界角增加到較大程度時(shí)，位錯(cuò)容易在晶界處成核，且界面對(duì)位錯(cuò)的存儲(chǔ)能力和阻礙作用都降低，導(dǎo)致銅納米線(xiàn)屈服強(qiáng)度降低。Cao等[28]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合，研究了由相干孿生界面控制的納米晶銅中應(yīng)變硬化行為，證明Lomer-Cottrell(L-C)位錯(cuò)鎖定的新型交叉相干孿晶界(i-CTBs)引發(fā)了納米金屬結(jié)構(gòu)上的強(qiáng)應(yīng)變硬化，這主要來(lái)源于孿晶界阻塞和滑移帶上位錯(cuò)鎖定釘扎的協(xié)同增強(qiáng)作用。Fu等[29]模擬研究了孿生界面對(duì)銅/鎳多層膜的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)水平層錯(cuò)滑移的方式可釋放內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致晶體取向發(fā)生改變，進(jìn)而引發(fā)了孿晶界的運(yùn)動(dòng)，這促進(jìn)了多層硬化。Bejaud 等[30]模擬研究了形變孿晶與納米結(jié)構(gòu)界面的相互作用，發(fā)現(xiàn)界面可以通過(guò)Lomer處的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)直接或間接誘導(dǎo)孿晶的形核，進(jìn)而決定納米結(jié)構(gòu)中形成孿晶的尺寸?？偟膩?lái)說(shuō)，孿晶界面可以存儲(chǔ)和阻礙位錯(cuò)，且在內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化中伴隨多種機(jī)制的協(xié)同作用，從而會(huì)影響材料性能。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

綜述了納米銅中有關(guān)孿晶與孿晶界面的機(jī)理及其對(duì)材料性能的影響，分析了研究者目前在納米銅孿晶方面的研究進(jìn)展，歸納了研究成果。目前納米銅孿晶的研究主要在塑性變形機(jī)理以及孿晶界作用引起的強(qiáng)化作用和穩(wěn)定性，利用分子模擬考察孿晶、孿晶界以及塑性變形規(guī)律，以此為參考，通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)獲得性能較為理想的納米銅材料。

納米銅孿晶的未來(lái)發(fā)展：①合成技術(shù)還不完備，阻礙了其在實(shí)際中的應(yīng)用，因此，獲取所希望的納米銅結(jié)構(gòu)是重中之重；②由于分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，理論模擬在實(shí)驗(yàn)中的指導(dǎo)作用變得越來(lái)越重要，但模擬計(jì)算的關(guān)鍵是勢(shì)函數(shù)的選取，直接決定著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以，提高模擬精度是將來(lái)要解決的首要問(wèn)題。此外，模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，先理論計(jì)算位錯(cuò)、孿晶及孿晶界面在塑性變形中產(chǎn)生作用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析確立對(duì)變形機(jī)制和行為影響規(guī)律，最后為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，制備出綜合性能優(yōu)異的納米孿晶銅材料。