2019年7月5日，一則消息傳回西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，讓院長(zhǎng)單智偉教授團(tuán)隊(duì)興奮不已。
團(tuán)隊(duì)的最新研究成果——“錐面位錯(cuò)可主導(dǎo)亞微米金屬鎂的大塑性變形”成功刊發(fā)于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。成果刊發(fā)的消息一出，立刻引發(fā)業(yè)界的廣泛關(guān)注，西安交通大學(xué)官網(wǎng)對(duì)于此項(xiàng)成果的報(bào)道點(diǎn)擊量也迅速破萬(wàn)。
“我們的研究發(fā)現(xiàn)，塑性差并不是鎂的固有屬性，通過(guò)提高流變應(yīng)力促進(jìn)位錯(cuò)形核和滑移，可以是行之有效的增塑方法。”本研究通訊作者之一單智偉表示。
鎂之塑性
鎂，是最輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度與一些塑料相近，由于具備可降解易回收、電磁屏蔽、生物相容性、高阻尼等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、汽車、高鐵、電子產(chǎn)品和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
但是，相比于傳統(tǒng)的金屬材料，鎂卻有一個(gè)難以克服的“軟肋”——塑性較差，這使得型材和零件的變形加工困難，工藝成本高，從而嚴(yán)重制約了鎂作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。
當(dāng)前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，塑性差是鎂的固有屬性，原因是鎂中的錐面位錯(cuò)（一種晶體缺陷）會(huì)自發(fā)地分解為不可滑移的結(jié)構(gòu)，無(wú)法協(xié)調(diào)塑性變形。因此，想要提高塑性，就必須要通過(guò)添加某些特定的元素來(lái)調(diào)節(jié)錐面位錯(cuò)的行為。
與此同時(shí)，也有一些學(xué)者持不同觀點(diǎn)，認(rèn)為錐面位錯(cuò)是有效的塑性變形載體，只要能促進(jìn)錐面位錯(cuò)的形核和滑移，鎂的塑性就可以提高。
上述爭(zhēng)議已經(jīng)直接影響到下一代高塑性鎂合金的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)路線，因而成為一個(gè)急需解決的科學(xué)難題。但是，由于錐面位錯(cuò)的幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全面的解析，加之此前的研究通常以計(jì)算機(jī)模擬為主，相關(guān)觀點(diǎn)和推論均缺乏有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，因此這一難題遲遲未能得到攻克。
電鏡之美
直觀來(lái)看，金屬結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)與應(yīng)用往往是宏觀的，是看得見(jiàn)的；而原位透射電鏡的觀察與測(cè)試則是微觀的，是納米和原子級(jí)的。兩者似乎并不相干，甚至從微觀到宏觀隔著“世界上最遙遠(yuǎn)的距離”。
“但實(shí)際并非如此。如果我們合理地找到研究領(lǐng)域，找到研究的關(guān)鍵問(wèn)題，原位電鏡技術(shù)就可以在金屬結(jié)構(gòu)材料研究中發(fā)揮非常巨大的作用。”本研究第一作者之一、西安交通大學(xué)青年教師劉博宇指出。
于是，針對(duì)上述難題，西安交通大學(xué)單智偉團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研和深入討論，決定采用原位電鏡納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)來(lái)解決樣品幾何形變、微觀結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)曲線三者之間一一對(duì)應(yīng)的難題。
首先，研究團(tuán)隊(duì)選取合適的加載方向來(lái)消除其它位錯(cuò)的干擾，采用梯度樣品設(shè)計(jì)來(lái)解決捕捉和表征單根位錯(cuò)難的問(wèn)題，然后運(yùn)用三維圖像重構(gòu)技術(shù)來(lái)解決位錯(cuò)滑移面不易確定的難題，并通過(guò)對(duì)比力學(xué)曲線的方式澄清了電子束影響的問(wèn)題。
得益于這些有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)以令人信服的結(jié)果，證明了最起碼對(duì)亞微米尺度的純鎂而言，各種類型的錐面位錯(cuò)（刃、螺、混合型）不僅可以滑移，而且可以導(dǎo)致非常大的塑性變形。與塊體材料相比，微納米樣品呈現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度和流變應(yīng)力。
據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，高應(yīng)力促進(jìn)了錐面位錯(cuò)的形核和滑移，進(jìn)而提高了測(cè)試樣品的塑性。通過(guò)進(jìn)一步深入分析，研究人員不僅確定了位錯(cuò)的滑移面，而且還清晰地觀察到錐面位錯(cuò)的交滑移、位錯(cuò)偶極子的形成以及位錯(cuò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)等此前尚未報(bào)道過(guò)的重要現(xiàn)象。
“研究不僅為完善鎂的塑性變形理論提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更為高塑性鎂合金的開發(fā)帶來(lái)了新的啟發(fā)。”單智偉表示。
與此同時(shí)，這一研究也向人們證明，原位電鏡技術(shù)可以搭建微觀測(cè)試與宏觀性能之間的橋梁，為許多科研工作帶來(lái)啟發(fā)。
堅(jiān)持之美
在此次發(fā)表于《科學(xué)》的研究中，劉博宇為論文的第一作者、博士研究生劉飛為共同第一作者，單智偉、澳大利亞莫納什大學(xué)教授聶建峰以及美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)教授李斌為論文的共同通訊作者。
九層之高臺(tái)，起之于壘土。任何科學(xué)突破的取得，從來(lái)都不是一蹴而就的。近年來(lái)，單智偉研究團(tuán)隊(duì)依托西安交通大學(xué)材料學(xué)院、金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安交通大學(xué)微納中心和陜西省鎂基新材料工程研究中心，堅(jiān)持不懈地開展了一系列富有成效的基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化，這些都為如今的突破奠定了基礎(chǔ)。
2014年，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了鎂中不同于位錯(cuò)和孿晶的室溫變形新機(jī)制，成果發(fā)表于《自然·通訊》，并榮獲美國(guó)TMS學(xué)會(huì)鎂分會(huì)年度“最佳基礎(chǔ)研究論文獎(jiǎng)”。隨后，團(tuán)隊(duì)乘勝追擊，系統(tǒng)研究了鎂合金中析出相形貌對(duì)孿晶行為的影響，進(jìn)而發(fā)展了一種判斷鎂合金強(qiáng)塑性的簡(jiǎn)單判據(jù)，成果發(fā)表于《材料科學(xué)技術(shù)》。
2018年，單智偉研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)活化二氧化碳，可以在室溫下將鎂表面的氧化層或腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成一種致密的保護(hù)膜層，不僅可顯著提升鎂及其合金的抗腐蝕性和強(qiáng)韌性，而且能夠大幅提高鎂的抗氧化能力，從而發(fā)明了一種綠色、低成本鎂合金涂層新技術(shù)，成果發(fā)表于《自然·通訊》，并獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。
針對(duì)原鎂冶煉工藝落后、自動(dòng)化程度低和環(huán)境污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀，單智偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了原本需要在真空條件下進(jìn)行的原鎂冶煉可以在常壓進(jìn)行，并與華西能源公司聯(lián)合攻關(guān)，開展了原鎂常壓生產(chǎn)的工業(yè)化裝置開發(fā)。
針對(duì)原鎂雜質(zhì)元素種類多、含量高、波動(dòng)大的痼疾，單智偉團(tuán)隊(duì)從原子機(jī)理出發(fā)，開發(fā)出全新的工藝流程，可在不顯著增加成本的情況下，從料球直接生產(chǎn)出99.99%以上純度的高純鎂，革新了此前領(lǐng)域內(nèi)普遍認(rèn)為“皮江法”（硅熱還原法）不能直接生產(chǎn)高純?cè)V的認(rèn)知。上述成果的推廣和應(yīng)用，有望從整體上提升鎂基產(chǎn)品的質(zhì)量和性能�！�