納米銅孿晶的分子動力學模擬研究現(xiàn)狀與展望

郭鑫，楊攀峰，羅建華，盧學峰

(蘭州理工大學 有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

多晶體材料強度與晶粒尺寸之間的關(guān)系可用霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式來表示，但由于實驗條件的限制，都在微米級晶粒尺寸下研究兩者的關(guān)系，而更小晶粒尺寸下的材料性能關(guān)系還無法判定，隨著材料制備新技術(shù)的研究與探索，發(fā)現(xiàn)納米尺度下材料的強度更高(與Hall-Petch公式不符)，因此引發(fā)了研究人員廣泛地關(guān)注，使其在材料科學領域扮演著越來越重要的角色[1-5]。

納米銅微粒制備技術(shù)還不成熟，因此，合成形貌和尺寸可控的銅納米材料已成為研究熱點[6-10]。而實驗之前對其進行計算模擬，可降低實驗成本，鑒于此，本文針對銅孿晶作用機制及其分子動力學模擬研究進行了綜述。

1 孿晶及其作用機理

孿晶是指兩個晶體(或一個晶體兩部分)沿著公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，效果是起硬化和降低塑性作用。各種不同類型的晶界中，孿晶界面的優(yōu)勢在于維持強度、韌性以及導電性能等[11]，可使材料展示出良好的熱學和力學的穩(wěn)定性，尤其當尺寸減小到納米級別時，界面原子所占的比例變大，孿晶界的作用越發(fā)明顯[12]。通過將孿晶界引入納米結(jié)構(gòu)材料，既能作為促進塑性變形的位錯源，又能成為位錯進一步運動的障礙，能同時提升材料的強度和韌性[13]。納米孿晶金屬優(yōu)異的綜合力學性能在于其獨特的塑性變形方式，位錯-孿晶界的交互作用是決定納米孿晶金屬宏觀性能的本征原因，而這從根本上與多晶體材料中晶格位錯以及位錯-晶界之間的交互作用是不一致的[14]，孿晶界面上位錯引起的應力集中與外加切應力以及位錯塞積的數(shù)量成正比這一點與晶界強化是相似的，隨孿晶片層厚度減小，孿晶內(nèi)部可塞積位錯數(shù)量逐漸減少，位錯穿過孿晶界所需外加應力提高，當孿晶片層變薄以至于位錯塞積無法形成時，將需要較大的外加應力促使單個位錯穿過孿晶界。模擬結(jié)果也表明，當位錯穿過孿晶界時，根據(jù)入射位錯的性質(zhì)和類型不同，在孿晶界上出現(xiàn)可滑移位錯即不全位錯、固定不可動位錯或位錯鎖、相鄰孿晶片層內(nèi)的層錯等[15]。

2 孿晶界對變形機制與變形行為的影響

在拉伸塑性形變過程中，孿晶界既能作為位錯源又能阻礙位錯移動，同時孿晶界的存在對變形行為也有著重要的影響。Sun 等[16]采用分子動力學模擬研究了孿晶Cu納米線的斷裂變形行為，發(fā)現(xiàn)孿晶納米線的斷裂行為和延展性與孿晶間距密切相關(guān)。Song等[17]利用分子動力學模擬考察了相干孿晶界(TB)間距和堆垛層錯(SF)間距對銅納米線(NWs)變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)對于含有TB和SF的銅NWs，機械性能分別有最佳的TB間距和SF間距，并且含有交替TB和SF的銅可以達到更高的峰值應力和峰值應變。Sainath等[18]利用分子動力學模擬了銅納米柱變形的孿晶界效應，發(fā)現(xiàn)孿晶界的引入使銅納米柱的塑性變形方式從孿生變成滑移，并且這種變形行為差異主要是由孿生納米柱中形成梯桿位錯及其解離導致的。聞鵬等[19]采用分子模擬方法研究了納米多晶銅的超塑性變形行為，發(fā)現(xiàn)當晶粒尺寸>14.85 nm時，納米多晶銅的變形機理以位錯運動為主；除此之外，變形機理以晶界運動為主，變形行為機制的改變正是納米多晶銅出現(xiàn)軟化現(xiàn)象根本原因。何安民等[20]使用分子模擬考察了單晶銅薄膜在雙向等軸拉伸應變下的塑性變形行為，發(fā)現(xiàn)當應變超過一定值時，單晶銅內(nèi)部出現(xiàn)了位錯、層錯及孿晶；當內(nèi)部出現(xiàn)大量堆積層錯及孿晶后，較大孿晶的密排面上的原子也會發(fā)生滑移，形成孿晶內(nèi)層錯結(jié)構(gòu)以釋放殘余應力。Zhang等[21]通過模擬技術(shù)對含孿晶的銅納米線進行研究，發(fā)現(xiàn)在拉伸載荷作用下，當孿晶界間距變得越小時，納米線在塑性形變區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的應力越低。Garritt等[22]采用計算模擬來研究室溫下孿晶界對單軸應變下柱狀納米晶銅變形的作用，發(fā)現(xiàn)納米孿晶通過改變基本變形機制及其在應變調(diào)節(jié)中的貢獻來影響納米晶銅的力學行為。Zhao等[23]通過模擬來闡明納米孿晶銅的變形機制，形變孿晶在具有特定結(jié)晶學取向的納米孿晶Cu的塑性變形中起主導作用，孿晶是通過位錯與孿晶界之間的交互作用形成的。Fang等[24]采用分子模擬對納米孿晶銅雙晶體進行考察，發(fā)現(xiàn)TB缺陷對納米孿晶Cu變形機制的影響隨著孿晶界面間距減小及應變硬化增加或在加工過程中TB缺陷密度的增加而變得更加突出。Zhang等[25]采用分子模擬技術(shù)觀察具有復合結(jié)構(gòu)的雙峰納米孿晶Cu的變形過程，發(fā)現(xiàn)高密度的TB和粗大的納米孿晶的體積分數(shù)可增加雙峰納米孿晶Cu的強度，并且雙峰納米孿晶銅的變形機制與TB方向有極大關(guān)聯(lián)。

3 孿晶界對材料性能的影響

孿晶與孿晶界的存在對材料性能的影響吸引了研究者的廣泛興趣，孿晶的形成和堆垛層錯有密切的關(guān)系，Wu等[26]通過分子模擬研究了剪切加載下堆垛層錯在具有共格孿晶界的雙晶銅中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)較低的臨界應力是由堆垛層錯四面體(SFT)所導致的，且增大四面體尺寸可以降低臨界應力，隨相干孿晶界向?qū)渝e的持續(xù)遷移導致其發(fā)生失效。鄒蓉等[27]利用分子模擬方法考察了旋轉(zhuǎn)晶界角對銅孿晶納米線拉伸加載力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著旋轉(zhuǎn)晶界角增加到較大程度時，位錯容易在晶界處成核，且界面對位錯的存儲能力和阻礙作用都降低，導致銅納米線屈服強度降低。Cao等[28]通過實驗與模擬相結(jié)合，研究了由相干孿生界面控制的納米晶銅中應變硬化行為，證明Lomer-Cottrell(L-C)位錯鎖定的新型交叉相干孿晶界(i-CTBs)引發(fā)了納米金屬結(jié)構(gòu)上的強應變硬化，這主要來源于孿晶界阻塞和滑移帶上位錯鎖定釘扎的協(xié)同增強作用。Fu等[29]模擬研究了孿生界面對銅/鎳多層膜的影響，發(fā)現(xiàn)通過水平層錯滑移的方式可釋放內(nèi)應力，導致晶體取向發(fā)生改變，進而引發(fā)了孿晶界的運動，這促進了多層硬化。Bejaud 等[30]模擬研究了形變孿晶與納米結(jié)構(gòu)界面的相互作用，發(fā)現(xiàn)界面可以通過Lomer處的位錯運動直接或間接誘導孿晶的形核，進而決定納米結(jié)構(gòu)中形成孿晶的尺寸?？偟膩碚f，孿晶界面可以存儲和阻礙位錯，且在內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化中伴隨多種機制的協(xié)同作用，從而會影響材料性能。

4 結(jié)語與展望

綜述了納米銅中有關(guān)孿晶與孿晶界面的機理及其對材料性能的影響，分析了研究者目前在納米銅孿晶方面的研究進展，歸納了研究成果。目前納米銅孿晶的研究主要在塑性變形機理以及孿晶界作用引起的強化作用和穩(wěn)定性，利用分子模擬考察孿晶、孿晶界以及塑性變形規(guī)律，以此為參考，通過調(diào)節(jié)實驗參數(shù)來獲得性能較為理想的納米銅材料。

納米銅孿晶的未來發(fā)展：①合成技術(shù)還不完備，阻礙了其在實際中的應用，因此，獲取所希望的納米銅結(jié)構(gòu)是重中之重；②由于分子動力學模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，理論模擬在實驗中的指導作用變得越來越重要，但模擬計算的關(guān)鍵是勢函數(shù)的選取，直接決定著計算結(jié)果的準確性，所以，提高模擬精度是將來要解決的首要問題。此外，模擬與實驗相結(jié)合，先理論計算位錯、孿晶及孿晶界面在塑性變形中產(chǎn)生作用的基礎數(shù)據(jù)，進而分析確立對變形機制和行為影響規(guī)律，最后為實驗提供指導，制備出綜合性能優(yōu)異的納米孿晶銅材料。