纳米金属微观结构不稳定性机理的三维研究

Nanometals (defined as metals with grain sizes less than 100 nm) have a wide range of potential applications as structural materials in the fields of MEMS and NEMS. The microstructural instabilities under thermal and mechanical conditions (the grain grwoth phonomena under heat and stress) has been the central issues of nanometals. A complete understanding of the underlying mechanisms responsible for the microstructural stabilities requires a full characterization of 3D structural parameters (grain size, shape, location, crystallographic orientation, grain boundary curvature, boundary normal and their 3D distribution, and 3D topological connectivity between grains; 3D distribution of solute elements/segregation) and their evolutions as a function of time, temperature or strain. This project will based on 3D characterizations of structural parameters and chemistry by means of 3D-OMiTEM (a newly developed TEM based technique with a spatial resolution of 1 nm) and 3D-APT (a well established 3D chemical mapping technique with atom resolution). The aims of the present study are to achieve new understanding of the underlying mechanisms for the microstructural stabilities of nanometals, and to explore approaches to stabilize the microstructure of nanometals.

纳米金属具有高强度、高疲劳性能和良好导电性，使其作为结构材料和在微纳电子行业都具有良好的应用前景，但是对于纳米金属的一些核心问题，如其微观结构稳定性(在受热或应力作用下的晶粒长大行为)还有待深入研究，这就要求对纳米金属微观结构参数（晶粒的形状、大小、位置和晶体学取向、晶粒间的位向关系和拓扑连接关系、晶界的曲率和法线及分布、杂质元素或合金元素的分布）及其演变的三维精确定量表征。本研究将以最新的基于透射电子显微镜的三维晶粒取向重构技术(3D-OMiTEM)和三维原子探针（3D-APT）为主要研究手段，以纳米金属Ni和Ni-W合金为研究对象，对纳米金属的微观结构不稳定性机理以及固溶元素的影响进行深入的研究，探讨实现微观结构稳定化的途径。

本项目以纳米晶Ni、Ni-P和纳米结构Ni、Al合金、Al、Cu等研究对象，以透射电子显微镜三维取向重构技术、高分辨的同步辐射三维X射线显微镜技术、三维原子探针以及高分辨透射电子显微镜及原位技术、高分辨电子背散射衍射技术等为主要研究手段，开展了纳米晶材料在原位加载与加热条件下的界面迁移、晶体转动及结构稳定性研究，纳米结构材料的制备与组织结构以及在外加载荷与热条件下的行为与机理研究。通过上述研究，提出了包括纳米结构材料在内的再结晶形核新机制，建立纳米结构材料组织结果与力学之间的定量关系模型，阐述了纳米结构材料元素分布及对组织结构的演化和热稳定的影响，获得了纳米晶材料在受力下晶体转动和受热下界面迁移的演化规律；提出了剧烈塑性变形制备纳米结构材料的新工艺。.发表SCI收录论文17篇、会议论文6篇；参加国际会议6次、邀请报告4次，协作主办国际研讨会3次；培养博士研究生5名、硕士研究生8名。.项目研究陈果为纳米结构材料的组织结构构筑、结构稳定性以及性能优化奠定了坚实的理论基础和技术指导，项目研究具有校稿的科学价值。研究中所使用的材料加工工艺均为工业级的材料加工制备工艺，这也为纳米结构材料的工业应用开拓了全新的契机。基于上述研究成果，与GF领域相关研究结构合作，开展了纳米结构金属的应用研究，成功制备了金属制品并在应用中取得了很好的效果，项目研究具有显著的社会价值。