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我校楚天学者在Nature Communications发表论文

作者:  编辑:鲜文涛  来源:材料科学与工程学院   发布时间:2018/03/09

近日,我校楚天学者讲座教授张灶利课题组与楚天学者特聘教授何云斌课题组关于首次实现在原子尺度观察金属合金材料内部氧化与分解过程的研究论文,在国际著名综合期刊Nature Communications上在线发表(Nat. Commun., 9 (2018) 946,DOI:10.1038/s41467-018-03288-8)。

合金材料的轻质化、高强度一直是人们的追求目标。超强高韧的合金材料在机械、航天、核能及国防工业领域有着广泛的应用。早在上世纪五十年代,英国科学家Hall和Petch就从实验数据归纳得出晶粒尺寸细化可有效提高材料强度的结论。然而,直到上世纪八十年代末,通过大塑性变形制备块体超细晶与纳米晶金属材料的技术才大规模发展起来。在所有大塑性变形技术中,高压扭转技术以其独特的优势获得人们的广泛关注,如该技术可以施加其它方法难以比拟的应变量,以及可以直接以粉体为原料制备任意配比的合金材料。但是,人们在长期的研究中发现,在制备过程中轻元素(C, O, N)杂质的引入是一个难以避免且影响极大的因素,会直接导致所制备材料微观结构及性能的巨大差异。由于缺乏有效的表征手段,人们对轻元素杂质在纳米晶合金材料里的行为一直缺乏直观认识。

我校楚天学者讲座教授、奥地利科学院Erich Schmid材料研究所张灶利教授课题组,与我校材料科学与工程学院何云斌教授课题组及合作者,利用球差矫正透射电子显微镜,从原子尺度原位对铜铁纳米晶合金材料里氧元素的热稳定行为进行了系统研究。研究人员发现,通过高压扭转技术能够直接将粉体表面的氧化物碎化并溶解进入基体,成为间隙原子缺陷。在原位加热过程中,这些溶解的氧原子能够在基体晶格中扩散,并且在较低的温度下(60–100 °C)便能够形成氧化物(CuO和Fe2O3)。在继续加热过程中,通过高压扭转溶解的Fe原子也开始从基体分解、成核并且随着温度的升高逐渐长大。研究人员通过原位高分辨像直接观察到了氧化与分解过程,以及所形成的纳米尺度团簇,同时也给出了形成的氧化物、析出的铁团簇与基体的晶格匹配关系。该研究首次实现对氧元素在纳米晶金属合金中热稳定行为的原子尺度观察,为人们提供了利用纳米尺度氧化物弥散分布实现材料强化的思路。

该论文是奥地利科学院博士生郭金明在张灶利教授(该研究的发起和领导者)及何云斌教授的共同指导下完成的。同时,该项研究也得到了奥地利格拉茨技术大学电子显微镜及纳米分析研究所、德国马普钢铁所及奥地利莱奥本矿业大学多个研究组的通力合作与大力支持,并得到了奥地利科学基金(FWF, No. P27034-N20)及中国国家自然科学基金(项目编号:61274010, 51572073, 11774082)的经费支持。

张灶利教授是奥地利科学院Erich Schmid材料研究所及莱奥本矿业大学(Montanuniversit?t Leoben, University of Leoben)的终身资深研究员,2014年起兼任我校楚天学者讲座教授,和我校材料科学与工程学院何云斌教授课题组有着长期深入的合作。张灶利教授的研究兴趣主要包括硬质涂层材料、氧化物功能薄膜界面及纳米晶金属合金材料。该论文的第一作者郭金明为我校何云斌教授指导的本科及硕士毕业生,2014年12月开始在张灶利教授课题组进行纳米晶合金材料的研究,不久前以优异成绩获得奥地利科学院及莱奥本矿业大学博士学位。

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