卢柯院士再版顶级期刊《解决高温金属材料应用的主要瓶颈》研究
当地时间8月6日，顶级学术期刊《科学》(Science)发表了一篇题为《用过饱和al–mg合金中的施瓦茨晶体结构抑制原子扩散》的研究报告，为解决高温下金属中高原子扩散率导致的不稳定性提供了一种新方法。
本研究报告的通讯作者为中国科学院金属研究所博士生导师卢柯院士和李秀妍研究员。
卢柯20多年来一直致力于金属纳米材料的研究，在学术期刊上发表了400多篇论文，获得了40多项发明专利。曾获Acta Materialia金奖、洪堡研究奖、首届香港求是基金会杰出青年学者奖、亚稳态与纳米材料国际年会ISMANAM金奖、中国青年科学家奖、贺亮合力基金会科技进步奖、第三世界科学院TWNSO科技奖。2020年，卢柯因开创性地发现并利用纳米孪晶结构和梯度纳米结构实现铜金属的高强度、高韧性和高导电性而获得“材料科学奖”。
2018至6月5438+00，卢柯任辽宁省人民政府副省长，负责科技、体育等方面工作。分管辽宁省科技厅(外国专家局)、体育局、重大技术创新和R&D基地建设工程中心(工业技术研究院)。
论文中写道，由于原子间键的性质，金属中的原子扩散率明显高于陶瓷和具有价键或离子键的化合物。在合成和后续处理过程中，通过调节扩散控制过程，使结构在不同的长度尺度上具有很大的可调性，从而使金属材料具有广泛的性能。例如，铝合金在接近室温时通过金属间化合物的沉淀而硬化。在形变热处理中，通过控制扩散相变可以广泛地调节钢的强度和塑性。
然而，当金属暴露于高温或机械负载时，高原子扩散率使得金属的结构和定制性能不稳定。这种不稳定性是金属材料发展的主要瓶颈，极大地限制了其在高温下的技术应用。
研究小组提到，抑制金属中原子的扩散是一个挑战，尤其是在高温下。与更开放的结构相关的界面或晶界(GBs)被认为是原子相对于晶格的快速扩散通道。通过优化其它元素的晶界偏析，可以减缓沿晶界的扩散。但随着合金化程度的增加，第二相形成的趋势增强，界面合金化受到限制。
通过形成单晶来消除扩散界面被认为是降低扩散速率的标准策略，例如，在涡轮发动机的高温应用中制造超级合金单晶叶片的实践。然而，研究小组认为，即使在单晶金属中，其高扩散性也无法在更高的温度下得到抑制。在更高的同源温度下，晶格中的平衡空位浓度显著增加，这必然增加原子的扩散速率。
2020年，卢柯等人在《科学》上的一项重要成果表明，他们在纯铜中发现了一种晶粒非常细小的亚稳态结构，即施瓦茨晶体结构。研究小组提到，虽然它包含极高密度的界面，但这种结构在接近熔点的高温下表现出非常高的热稳定性，以防止晶粒粗化。
因此，研究小组认为，研究这种稳定的Schwarz晶体结构是否能够抑制高温下合金中原子的扩散是非常有意义的。
样品SC-8的结构表征。
在这项最新研究中，研究团队使用高压扭转装置，在77K和10GPa的静水压力下，使单相过饱和Al-Mg (Al-Mg)合金变形。当施加的应变超过~20GPa时，合金样品的组织细化到纳米级，样品中形成轴近似相等的随机取向的纳米晶粒。粒径分布均匀，平均粒径为8nm(样品SC-8)。通过一系列的分析和测试表明，过饱和的Mg原子均匀地分布在纳米晶组织中，而不是像其它室温变形的Al-Mg合金那样聚集或分散在GB上。
铝是一种具有高扩散性的金属，镁是其扩散性最强的合金元素之一。研究组观察到了过饱和铝镁合金的扩散行为，具有Schwarz晶体结构。研究了不同温度下金属间化合物的扩散过程，如沉淀、晶粒粗化和熔化。
退火过程中样品的结构演变。
发现这种最小界面结构不仅能使过饱和Al-Mg合金中原子的表观跨界扩散速率降低约7个数量级，而且在高于熔点的温度下，合金结构保持不变。
认为在这种过饱和Al-Mg合金中的观察结果与我们团队在纯铜Schwarz晶体样品中观察到的结果一致，是一个自扩散控制的过程。
样品晶格常数和晶粒尺寸的稳定性。
其中提到，金属中的Schwarz晶体结构的非扩散特性，对于理解界面中的基本扩散过程和固态输运动力学，尤其是高温下的扩散过程具有重要意义。施瓦兹晶体似乎提供了一个阻止金属和替代合金中原子扩散的固体屏障，提高了熔点温度的稳定性，远高于传统合金。
卢柯和其他人认为，利用施瓦兹晶体结构开发先进的铝和其他合金将使这些材料在高温应用中具有有益的特性。
退火后样品的元素分布。
值得注意的是，这是卢柯自2000年以来在《科学》杂志上发表的第13篇文章。此外，他还于2010年在另一份顶级期刊《自然》上发表了1篇文章。卢柯，56岁，1985南京理工大学金属材料及热处理专业毕业，1990获金属专业工学博士学位。2003年当选中国科学院院士(最年轻的院士)，2005年当选德国科学院院士，2006年受聘美国《科学周刊》评审编辑，2018当选美国国家科学院外籍院士。
校对:张