导读:通过实验和原子模拟相结合的方法，研究了无缺陷纳米铜的力学性能和变形机制。颗粒的抗压强度随颗粒尺寸的减小而增大，在小颗粒极限范围内趋于饱和。在这个极限下，强度的本征尺寸依赖于颗粒表面附近位错成核的随机性。当颗粒累积残余损伤时，颗粒的变形过程从初始应变软化演化到应变硬化。将铜的归一化强度-尺寸关系与金、镍、铂的归一化强度-尺寸关系进行了比较。讨论了四种面心立方金属之间缺乏通用行为的问题。严重变形的纳米铜颗粒形成多晶结构，晶格取向从[111]变为[110]。实验和模拟揭示了晶格旋转导致新晶形成的孪生机制。

尺寸小于几微米的金属物体的塑性变形已被广泛研究，并已知与大块金属和合金的塑性变形显著不同。通过对直径从一微米到数百纳米的金属柱进行微压缩和微拉伸测试，并借助聚焦离子束仪器进行加工，获得了大量信息。已经证明，这种柱子的流动应力与尺寸有关，比相应的散体材料的流动应力高出大约一个数量级。对几种元素面心立方(FCC)金属的FIB加工柱子的研究表明，由适当的剪切模数归一化的流动应力与由Burgers矢量归一化的柱子直径之间存在普遍的幂函数关系。对于Au、Cu、Ni和Al柱子，描述柱子强度随直径减小而增加的尺寸指数为n=0.66，这表明了潜在的塑性机制的普遍性。

FIB加工的微柱和纳米柱的流动应力大约比各自金属的理论强度低一个数量级。原因是，尽管它们很稀缺，但先前存在的位错及其来源仍然主导着塑性。只有通过定向凝固、分子束外延和固态除湿等高温方法制备的单晶纳米管、纳米线和纳米颗粒才能达到与理论强度相当的GPA级别的强度。在缺乏缺陷的纳米结构中，塑性的开始与位错成核所需的应力有关。通过负载控制纳米压痕对金属微米和纳米颗粒进行压缩测试，发现大的弹性应变达到10%，随后突然发生位移破裂和塑性坍塌。后者与原始粒子中大量的位错成核有关。新位错的形核需要比移动已有位错或激活已有位错源的应力高得多的应力。在这种形核控制的塑性中寻找单一的关系是一项困难的任务，因为变形机制不仅取决于试件的尺寸，而且还取决于其形状。例如，多面钼微粒的压缩强度表现出强烈的尺寸效应，而圆形微粒的塑性开始与尺寸无关。此外，在几个Gpa的应力水平下，金属弹性性能的非线性变得非常明显，导致压缩和拉伸行为之间的不对称。

到目前为止，已经在实验上测量了面心立方金属Au，Ni和Pt的多面单晶纳米颗粒的形核控制压缩强度。其中，Ni和Au的归一化强度基本相同，而铂的归一化强度大约低一个数量级。这些结果揭示了无缺陷面心立方纳米颗粒的形核控制塑性缺乏普遍性。已经提出了几种解释，但根据现有的实验数据，还没有得出明确的结论。进一步研究其他面心立方金属的无缺陷纳米颗粒对于理解形核控制区域的塑性规律是必不可少的。

以前的大多数微米和纳米颗粒压缩研究都集中在定义颗粒强度的塑性开始阶段。对位错形核后形成的严重变形组织的关注较少。这是可以理解的，因为在大多数情况下，塑性开始之后是一个巨大而快速的位移破裂，使得实验上无法进入中间变形阶段。同时，最近对Ni-Co纳米颗粒压缩变形的原子模拟揭示了有趣的趋势，例如合金化的软化效应和Ni-Co纳米颗粒的溶质诱导增韧。颗粒韧性与塑性变形中间阶段颗粒内部显微组织的发展有关。

这一简短的概述促使以前对原始金属纳米颗粒的微压缩研究扩展到包括新的面心立方金属，以了解形核控制塑性的一般趋势。本研究以面心立方铜纳米粒子为研究对象。Cu(40-50mJ m?2)的层错能与Au(30-50mJ m?2)相近，低于Ni(125mJ m?2)，显著低于铂(322mJ m?2).根据SF能量判据，铜颗粒的归一化强度可能更接近Au和Ni粒子，而不是铂粒子的归一化强度。这一假设将在这项工作中得到验证。此外，我们测试的颗粒物比以往任何一项研究都要多得多。这使我们能够对颗粒强度的尺寸依赖关系进行更准确的统计分析，并将结果与MD模拟进行比较。由于先前的研究表明颗粒形状对抗压强度有很大影响，我们仔细检查了颗粒形状，只测试了形状接近铜的平衡晶形(ECS)的颗粒。这使得我们能够将大小依赖与粒子形状效应分开。此外，我们使用了最近发展的质量颗粒压缩方法来访问塑性变形的中间阶段，并直接将颗粒微观结构与原子模拟预测的颗粒微观结构进行比较。将以前的工作扩展到另一种面心立方金属，获得更广泛的粒子变形，显著改进的统计数据，以及与当前MD模拟的紧密结合，使我们能够对无缺陷金属对象中的纳米级变形机制有新的见解。

综上所述，以色列理工学院Eugen Rabkin教授团队旨在探索镍、金、铂和铜纳米颗粒之间归一化剪切强度的一般趋势，并检验将其与层错能联系在一起的假设。进一步的假设是，在实验和原子模拟中确定的颗粒强度的尺寸效应应该是一致的，纳米颗粒的成核后塑性变形是由纳米颗粒中的位错成核、滑动和相互作用规律决定的。

相关研究成果以“Ultimate compressive strength and severe plastic deformation of equilibrated single-crystalline copper nanoparticles”发表在Acta Materialia上

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964542400452X?via%3Dihub

图1 在不同条件下通过固态除湿获得平衡的铜纳米颗粒的例子。

图2 平衡的纳米铜颗粒的形貌(样品S3)。

图3 (a)选定不同尺寸的铜颗粒的实验载荷-位移曲线。(b)根据(a)项所示载荷-位移曲线计算的工程应力-应变曲线。(c)在分子动力学模拟(颗粒尺寸可达100纳米)和实验(尺寸为200-900纳米)中获得的铜纳米颗粒的抗压强度与其投影直径的关系。粉红色和蓝色表示了颗粒强度的尺寸效应的两个区域，由虚线垂直线分隔。(d)用代表理论剪切强度下限和上限的G/30和G/8虚线比较铂、铜、镍和金纳米颗粒的归一化临界分辨剪应力(CRSS)。

图4.模拟压缩试验不同阶段的典型纳米铜颗粒形状。原子是由势能着色的。

图6 显示纳米颗粒压缩过程中应变软化效应和应变硬化效应的应力-应变曲线。

图7 铜纳米颗粒塑性变形的位错机制。

图8 (a)质量粒子压缩方法示意图。(b)脱湿和变形的铜纳米颗粒的高度h和投影直径D之间的相关性。(c_1)和(d_1)纳米铜颗粒压缩前后的原子力显微镜形貌图像。(c2)和(d2)纳米铜颗粒压缩前后的二次电子扫描电子显微镜(70?斜视图)。

图13 (a)-(d)40纳米纳米颗粒的形状演变。[110]方向垂直于页面，红线表示双边界。(e)(111)反极图。(f)(101)反极图。蓝色和红色曲线分别显示了母晶和孪晶的轨迹。

图14 蓝宝石衬底上压缩诱导纳米粒子旋转的两种机制示意图，显示出与基面取向成小的错切角度。(a)在单一的{111}面上滑移；(b)在两个{111}面上滑移，随后孪晶的形核和膨胀。

总之，我们的研究表明，应用固态除湿方法在基面取向的蓝宝石衬底上制备了单晶面的铜纳米颗粒。严重的塑性变形和随之而来的表面滑移痕迹的形成导致了独特的表面形貌，显示出平滑的准周期性纳米级粗糙度。分子动力学模拟表明，触发粒子变形的第一位错可以在表面上形核，通常在小面边缘或顶点附近，或者均匀地在角点下的晶格区。建立了四种面心立方金属(铜、铂、镍和金)的原始刻面粒子的CRSS尺寸依赖关系图。采用质量颗粒压缩的方法同时变形了大量的纳米铜颗粒。