探究纳米材料变形的新窗口

作者：劳伦斯•伯克利国家实验室

欢迎访问e展厅 展厅 11 纳米材料/工业陶瓷展厅 空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ... 纳米材料并不总是与它们的聚合物有着相同的性质，纳米材料通常都较为坚硬。与大多数聚合材料不同，一个足够小的晶体可以是完美没有瑕疵的，并能在强度上接近理论极限。 长期以来，科学家们一直认为只有完美无暇的晶体才能够承担理论上的极限应力。当应力超越这一理论极限时，晶格中就发生位错，同时伴随着晶体的不可逆变形，或叫塑性变形。 目前，一个来自普度大学和能源部劳伦斯•伯克利国家实验室的研究小组与美国明尼苏达州海士德公司合作，发现事情并不严格地像人们所认为的那样。通过利用配备有国家电子显微镜中心（NCEM）JEOL 3010原位传送电子显微镜的特殊设备，研究人员们已经能够将压力－位移测量高分辨率地呈现在单独的视频画面上，从而显示出纳米体积的铝材料是怎样在“金刚石压痕计”的压力下变形的。 “尽管一直以来人们认为只有完美无暇的材料才能达到它的理论强度，但是我们的结果显示出这一假设并不总是正确的，”伯克利实验室材料科学系领导这个研究小组的安德鲁•迈尼尔说，“实际的情况更加复杂，我们发现在被通常认为是起始屈服点的部位形成之前，大量的瑕疵就开始聚集。” 不仅如此，迈尼尔补充道：“令人惊奇的是，甚至当材料含有高密度的瑕疵时，仍可能承受接近理论极限的剪切应力。” 小组成员单志伟表示：“纳米压痕试验中关于塑性起始点的观念是典型的建立在间接证据上的观念。科学计算研究能够以电子结构为基础，通过完美晶体中原子的结合强度计算出材料的理论强度。虽然研究人员尝试将理论强度的计算结果与纳米压痕试验联系起来，但是直到现在，他们仍只能够从试验强度所能达到的事实中推测这一关系。” 这个特别装备的原位传输电子显微镜已经显示出一系列事件的真相，迈尼尔说：“它是世界上独一无二的试验装备。”因为它首次将纳米压痕试验中两种观测塑性起点截然不同的方法结合在一起，并在制作变形图像的同时得到机械数据。 纳米压痕硬度测试技术开创了美国国家电子显微镜中心实时成像的先河，它可以利用传输电子显微镜内部的图像一帧一帧地研究材料塑性。另一种研究塑性的方法是建立在显微镜外，利用传感器精确地测量随着压痕计内部系统变化而变化的压力。迈尼尔说：“直到现在，尝试将变形与压力测试联系起来的方法都因为其滞后效应而具有天生的局限性。” 研究小组将国家电子显微镜中心设计，海士德公司制造的电容压力传感器整合到样品的夹座上而建立的这台定量原位纳米压痕计，吸取了原位显微镜大载物台的优点，首次向世人证明了纳米变形试验的数据及影像能够同时直接地获得。 “大多数人都能够获得压力对位移的曲线但却得不到影像，”单志伟说：“在曲线中，一个大的峰值标志着一个‘突发事件’――通常被认为是塑性的起点。但在影像中，首次出现的瑕疵和位移才被认为是这一塑性起点到来的突发事件。” “就像结果所显示的，这两种突发事件并没有必要一致，”迈尼尔说：“事实上，它们经常是很多纳米压痕数据装置中真实突发事件来临前变形的模糊信号，但是这些细微信号却通常被认为是试验误差，或仅仅是一些非重要因素。” 在一个典型的纳米压痕硬度试验中，人们用新在设备中的三边金刚石压头逼近目标铝晶相的顶点，使薄铝膜中的单晶铝沉积在硅基层上。当压头卸荷在晶体上（挤压晶体）时，压头的压力和位移数据就被画成曲线，同时影像展示出相应的晶体形变。 在这个试验的变化曲线中，研究人员观测到两个与晶体中突然出现的位错图像密切相关的细微瞬时现象。在第一个现象中，很显然无瑕疵的晶体迅速地抵挡住瑕疵的进攻，在第二个现象中，瑕疵的运动突然转向。这些变化显示出位错（晶体中成排的瑕疵）自由断裂，划过其它断片并互相影响，最终在新的平衡位置上静止下来。 更吸引人的是，尽管消耗了位错，晶体仍然在承受材料中接近理论计算强度的剪应力。突发事件还是会到来。 它一旦来临，就无法从曲线和影像中逃脱。曲线显示出一段持续上升的压力，然后由于晶体让位而出现压力的突然松懈。图像显示出一种新型的瑕疵以及晶界上呈不同几何形状分布的瑕疵。 单说：“这些结果向传统的结晶材料塑变起点观念发出了挑战，这项发现提出了很多有关其它纳米材料的新问题，包括薄膜、纳米导线以及单个纳米材料。我们现在正在热心地从事于这些课题的研究。” 迈尼尔说：“我们首次能够直接地研究一些基本试验参数比如弹性模量和启动位错及其移动所需的应力，这个前景引起了材料科学界的高度兴奋，它打开了一扇通向纳米机械学世界的新窗口。”(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/15/2006)