西安交大单智伟团队：探秘镁的位错行为

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2019年7月5日，一则消息传回西安交通大学材料科学与工程学院，让院长单智伟教授团队兴奋不已。 团队的最新研究成果——“锥面位错可主导亚微米金属镁的大塑性变形”成功刊发于国际顶级学术期刊《科学》。成果刊发的消息一出，立刻引发业界的广泛关注，西安交通大学官网对于此项成果的报道点击量也迅速破万。 “我们的研究发现，塑性差并不是镁的固有属性，通过提高流变应力促进位错形核和滑移，可以是行之有效的增塑方法。”本研究通讯作者之一单智伟表示。镁之塑性镁，是最轻质的金属结构材料，其密度与一些塑料相近，由于具备可降解易回收、电磁屏蔽、生物相容性、高阻尼等优点，因而在航空航天、汽车、高铁、电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。但是，相比于传统的金属材料，镁却有一个难以克服的“软肋”——塑性较差，这使得型材和零件的变形加工困难，工艺成本高，从而严重制约了镁作为结构材料的广泛应用。当前主流观点认为，塑性差是镁的固有属性，原因是镁中的锥面位错（一种晶体缺陷）会自发地分解为不可滑移的结构，无法协调塑性变形。因此，想要提高塑性，就必须要通过添加某些特定的元素来调节锥面位错的行为。与此同时，也有一些学者持不同观点，认为锥面位错是有效的塑性变形载体，只要能促进锥面位错的形核和滑移，镁的塑性就可以提高。上述争议已经直接影响到下一代高塑性镁合金的设计思路和技术路线，因而成为一个急需解决的科学难题。但是，由于锥面位错的几何形态和结构非常复杂，很难通过实验进行全面的解析，加之此前的研究通常以计算机模拟为主，相关观点和推论均缺乏有力的实验证据，因此这一难题迟迟未能得到攻克。电镜之美直观来看，金属结构材料的研发与应用往往是宏观的，是看得见的；而原位透射电镜的观察与测试则是微观的，是纳米和原子级的。两者似乎并不相干，甚至从微观到宏观隔着“世界上最遥远的距离”。 “但实际并非如此。如果我们合理地找到研究领域，找到研究的关键问题，原位电镜技术就可以在金属结构材料研究中发挥非常巨大的作用。”本研究第一作者之一、西安交通大学青年教师刘博宇指出。于是，针对上述难题，西安交通大学单智伟团队经过广泛调研和深入讨论，决定采用原位电镜纳米力学测试技术来解决样品几何形变、微观结构演化以及力学曲线三者之间一一对应的难题。首先，研究团队选取合适的加载方向来消除其它位错的干扰，采用梯度样品设计来解决捕捉和表征单根位错难的问题，然后运用三维图像重构技术来解决位错滑移面不易确定的难题，并通过对比力学曲线的方式澄清了电子束影响的问题。得益于这些有针对性的实验设计，研究团队以令人信服的结果，证明了最起码对亚微米尺度的纯镁而言，各种类型的锥面位错（刃、螺、混合型）不仅可以滑移，而且可以导致非常大的塑性变形。与块体材料相比，微纳米样品呈现出更高的屈服强度和流变应力。据此，研究团队推测，高应力促进了锥面位错的形核和滑移，进而提高了测试样品的塑性。通过进一步深入分析，研究人员不仅确定了位错的滑移面，而且还清晰地观察到锥面位错的交滑移、位错偶极子的形成以及位错往复运动等此前尚未报道过的重要现象。 “研究不仅为完善镁的塑性变形理论提供了重要的实验数据，更为高塑性镁合金的开发带来了新的启发。”单智伟表示。与此同时，这一研究也向人们证明，原位电镜技术可以搭建微观测试与宏观性能之间的桥梁，为许多科研工作带来启发。坚持之美在此次发表于《科学》的研究中，刘博宇为论文的第一作者、博士研究生刘飞为共同第一作者，单智伟、澳大利亚莫纳什大学教授聂建峰以及美国内华达大学教授李斌为论文的共同通讯作者。九层之高台，起之于垒土。任何科学突破的取得，从来都不是一蹴而就的。近年来，单智伟研究团队依托西安交通大学材料学院、金属材料强度国家重点实验室、西安交通大学微纳中心和陕西省镁基新材料工程研究中心，坚持不懈地开展了一系列富有成效的基础研究、技术攻关和成果转化，这些都为如今的突破奠定了基础。 2014年，研究团队发现了镁中不同于位错和孪晶的室温变形新机制，成果发表于《自然·通讯》，并荣获美国TMS学会镁分会年度“最佳基础研究论文奖”。随后，团队乘胜追击，系统研究了镁合金中析出相形貌对孪晶行为的影响，进而发展了一种判断镁合金强塑性的简单判据，成果发表于《材料科学技术》。 2018年，单智伟研究团队发现通过活化二氧化碳，可以在室温下将镁表面的氧化层或腐蚀产物转变成一种致密的保护膜层，不仅可显著提升镁及其合金的抗腐蚀性和强韧性，而且能够大幅提高镁的抗氧化能力，从而发明了一种绿色、低成本镁合金涂层新技术，成果发表于《自然·通讯》，并获得国家发明专利授权。针对原镁冶炼工艺落后、自动化程度低和环境污染严重的现状，单智伟带领团队提出并验证了原本需要在真空条件下进行的原镁冶炼可以在常压进行，并与华西能源公司联合攻关，开展了原镁常压生产的工业化装置开发。针对原镁杂质元素种类多、含量高、波动大的痼疾，单智伟团队从原子机理出发，开发出全新的工艺流程，可在不显著增加成本的情况下，从料球直接生产出99.99%以上纯度的高纯镁，革新了此前领域内普遍认为“皮江法”（硅热还原法）不能直接生产高纯原镁的认知。上述成果的推广和应用，有望从整体上提升镁基产品的质量和性能。

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