金属镍中发现超硬超高稳定性二维纳米层片结构
近半个世纪以来，材料科学家对结构细化过程进行了广泛深入的研究，旨在探索通过塑性变形实现金属材料结构纳米化，从而大幅度提高其强度等力学及物理化学性能。但是，经过几十年的努力，发现利用塑性变形技术可以将晶粒细化至亚微米(0.1~1微米)尺度，继续增加塑性变形这种亚微米尺度晶粒不再继续细化，也就是说晶粒尺寸达到了其极限。此外，结构稳定性随着强度提高逐渐降低，表现为强度-稳定性的倒置关系。
非平衡研究部卢柯研究组最近在这一方面取得突破。他们通过表面机械碾磨处理，在纯Ni中制备出二维纳米层片结构，其平均层片厚度为20nm,比常规严重塑性变形制备的超细晶尺寸低约一个数量级。这种纳米层片结构具有强的剪切变形织构，层片之间的界面平直且取向差很小(低于10度)。这种二维纳米层片结构具有超高的硬度(6.4GPa)，远高于超细晶结构的硬度(~3.0GPa)。更为独特的是，这种纳米结构具有很高的热稳定性，其结构粗化温度高达506oC，比超细晶结构的粗化温度高40oC。
这种二维纳米层片结构的高硬度和高热稳定性打破了金属材料中传统的强度-稳定性倒置关系。该研究成果丰富和拓宽了人们对纳米金属材料“结构-性能”关系的认识，同时也为进一步开发高性能纳米结构材料及其应用提供新的途径。
该研究成果发表于2013年10月18日出版的美国科学杂志(X.C. Liu, H.W. Zhang, K.Lu, Science 2013, 342:337)，并申请发明专利(申请号：201310536227.3 张洪旺，刘小春，卢柯)。
(A) A schematic illustration of the SMGT set-up. (B) A cross-sectional SEM image of the SMGT Ni sample of which the treated surface is outlined by a yellow dashed line. (C) An EBSD image of the region outlined by dashed blue line in B. (D, E) Typical bright-field (BF) cross-sectional (SD-ND) and longitude-sectional (TD-ND) TEM images of the UFG structures (110 mm deep from the surface) and NL structures (40-50 mm deep from the surface) (indicated in B), respectively. Insets in (D) and (E) are the corresponding distribution of boundary spacing (left) and the SAED pattern (right). The sample coordinates in D and E are identical to that in A. (F) A dark-field longitude-sectional TEM image corresponding to that in E.
