作為兩種面缺陷間的幾何交線，表面-晶界截交線（surface triple junction或STJ）是多晶體材料表面上的常見線缺陷。在塊體材料中，位于STJ的原子體積分量極低，其對(duì)材料整體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。隨著材料尺寸降低至亞微米甚至納米尺度（如薄膜、納米線等），STJ原子體積分量急劇上升。但這一特殊線缺陷是否以及如何影響材料力學(xué)性能尚無定論。如何將STJ對(duì)材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)從表面及晶界效應(yīng)中分離出來也是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
最近，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心金海軍研究員團(tuán)隊(duì)在這一問題上取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)在電化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行原位壓縮實(shí)驗(yàn)，比較納米晶和粗晶納米多孔金屬的力學(xué)行為，成功分離出納米金屬強(qiáng)度的STJ效應(yīng)，并確定其開始發(fā)揮作用的臨界尺寸。相關(guān)成果以“Surface triple junction governs the strength of a nanoscale solid”為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。
該研究采用兩種特征樣品：一種是含有大量表面、晶界和STJ的納米晶納米多孔金樣品；另一種是含有大量表面，但晶界與STJ極少的粗晶納米多孔金樣品。由于晶界對(duì)電化學(xué)修飾不敏感，通過電化學(xué)控制表面狀態(tài)并觀察其對(duì)強(qiáng)度的影響，即可在納米晶納米多孔金中測(cè)得“STJ效應(yīng)+表面效應(yīng)”，即STJ與表面對(duì)強(qiáng)度的共同作用；作為參照實(shí)驗(yàn)，在粗晶納米多孔金中則可測(cè)得“表面效應(yīng)”。比較“STJ效應(yīng)+表面效應(yīng)”與“表面效應(yīng)”，發(fā)現(xiàn)兩者在百納米以上基本重合，而在百納米以下顯著分離（見圖2）。這說明在約100納米以下，STJ開始對(duì)材料強(qiáng)度發(fā)揮作用。透射電鏡等實(shí)驗(yàn)表明，STJ有可能作為位錯(cuò)的優(yōu)先形核位置影響納米材料變形行為與力學(xué)性能。本研究表明STJ以及更廣義上的三叉晶界線并非簡(jiǎn)單的面缺陷間幾何交線，而是影響材料性能的重要結(jié)構(gòu)參量。該研究為理解納米金屬力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的控制與優(yōu)化提供重要信息。
該工作由張燁元博士研究生（第一作者）、解輝特別研究助理、劉凌志副研究員和金海軍研究員（通訊作者）共同完成。該研究得到國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
圖1：納米晶納米多孔金的a）TEM圖像和選區(qū)電子衍射( SAED )圖案，b）PED取向圖及c）結(jié)構(gòu)示意圖。粗晶納米多孔金d）TEM圖像和SAED圖案，e）EBSD取向圖及f）結(jié)構(gòu)示意圖。Surf：固體表面。GB：晶界。STJ：表面-晶界截交線。
圖2：a）電化學(xué)控制原位壓縮實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，b）典型的納米晶納米多孔金隨表面狀態(tài)改變的原位壓縮曲線，c）納米晶和粗晶納米多孔金氧吸附產(chǎn)生的流變應(yīng)力變化幅度隨孔棱尺寸的變化規(guī)律。
