原位高温纳米力学测试——探索准晶体微纳尺度力学和相变

准晶是固体结构中除了晶体和非晶体之外的第三种状态。 准晶具备结构长程有序，但不具备平移对称性，这一点和晶体不同。 1984年，Dan Shechtman等在Physical review letters 发表一篇题为“Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and NoTranslational Symmetry (一种长程有序但是不具有平移对称性的金属相)的论文，报道了他在急冷凝固的AlMn合金中发现了具有五重旋转对称但并无平移周期性的合金像，即20面体准晶。Dan Shechtman 2011年因此获得诺贝尔化学奖。

图1. （上）20面体准晶的电子衍射斑点.（下）Dan Shechtman在1982年4月8日当天发现准晶的笔记。(www.quasi.iastate.edu/discovery.html).

准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。 但是比常用的晶体金属材料，比如钢铁、铝、铜，准晶在实际中的工程应用非常有限。首要原因就是准晶体非常脆，室温下几乎没有塑性，甚至比很多陶瓷还脆。虽然准晶体和晶体相似，也有位错（dislocation）, 但是准晶体中的位错因为有相子应变(phason strain)的存在，位错滑移(dislocation glide)非常困难， 只能通过高温下扩散导致的位错攀移 (dislocation climb）才表现出塑性。 正是因为这个原因，从上个世纪80年代准晶被发现到现在，大部分的研究都是准晶在特定条件下的力学性能（如：高于500 摄氏度或者是在液体静压力下测试）。

图2.（上）展示Al-Pd-Mn结构；（下） Ho-Mg-Zn 十二面体准晶 (wikipedia.org › wiki › Quasicrystal)

最近，多伦多大学材料系 邹宇 教授课题组和苏黎世联邦理工 (ETH Zurich)的Jeff Wheeler博士合作用原位高温纳米力学测试平台研究了20面体准晶Al-Pd-Mn从室温到500摄氏度的力学行为和相变特征。该工作发表在最近的一期 Physical Review Materials 上。（【4】Cheng et al., Phys. Rev. Materials （2021）） 第一作者是多伦多大学博士生Changjun Cheng, 通讯作者为邹宇教授。其他作者包括ETH的Yuan Xiao 和JeffWheeler博士，多伦大学的博士生Michel Hache 和Zhiying Liu。

在此之前，2016年邹宇在读博士期间和其同事通过微纳力学的办法第一次在实验中观察到室温下同轴压缩的20面体准晶Al-Pd-Mn的塑性 ，并且发现位错滑移(dislocation glide)在室温下的可能性。（【1】Zou et al. Nature Communications 7,(2016)）

图3. 二十面体准晶Al-Pd-Mn随着样品尺寸减小到500nm一下发现良好的塑性。【1】

同年，其在典型的十面体准晶Al-Ni-Co（一个方向具备平移对称性；另一个方向不具备平移对称性）也观察到塑性，并且发现各向异性在微纳尺度下显著减小。（【2】Zou et al., Extreme MechanicalLetters (2016)。另外，他们还 探索 了十面体准晶Al-Ni-Co在高温下的微纳力学性能。(【3】Zou etal., Philosophical Magazine (2016))

图4. 十面体准晶Al-Ni-Co沿着不同取向的压缩试验 【2】

这篇发表在 PhysicalReview Materials 上的工作 利用微纳力学方法，在此前没有人研究过的温度范围下，观察和测试了20面体准晶Al-Pd-Mn的变化 。这项工作发现了一些有趣的现象：（1） 室温到300摄氏度准晶还是稳定的，300到500度准晶发生了相变，变成了多晶体（产生了四种新相），但是500度以上还是准晶；说明该准晶高温热力学稳定，低温动力学稳定，中间温度不稳定；（2） 300-500摄氏度从单晶变成纳米多晶，变形机制从位错机制改变为扩散和晶界移动的机制；（3）因表面扩散和蒸发，样品在高温下体积变小了；(4) 变形曲线由低温锯齿状过度到高温平滑曲线。

图5. 准晶体的强度和相结构随温度变化【4】

图6. 室温变形后的透射电镜照片和元素分布【4】

图7. 500摄氏度变形后的透射电镜照片和元素分布【4】

图8. 不同温度下样品体积减小【4】

参考文献：

【1】Y. Zou, H. Ma, R.Spolenak “Ultrastrong, ductileand stable high-entropy alloys at small scales” Nature Communications 6(2015). Doi:10.1038/ncomms8748.

【2】Y. Zou, P. Kuczera,W. Steurer, R. Spolenak “Disappearance ofplastic anisotropy in decagonal quasicrystals at small scales and roomtemperature” ExtremeMechanical Letters , 8 (2016), 229-234. Doi:10.1016/j.eml.2016.02.005）

【3】Y. Zou, J. Wheeler,A. Sologubenko, P. Kuczera, W. Steurer, J. Michler, R. Spolenak “Bridging room-temperature and high-temperatureplasticity in decagonal Al-Ni-Co quasicrystals by micro-thermomechanicaltesting” PhilosophicalMagazine (2016), 1-23. Doi:10.1080/14786435.2016.1234722

【4】CCheng, Y Xiao, MJR Haché, Z Liu, JM Wheeler, Y Zou“Probing the Small-Scale Plasticity and Phase Stabilityof an Icosahedral Quasicrystal I-Al-Pd-Mn at Elevated Temperatures” Physical Review Materials (2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.5.053602

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

XRD的测试原理，是Bragg方程，即nλ=2*d*sinθ，其中λ为入射线波长，d为晶面间距，θ为衍射角。

换言之，XRD对于晶体结构的测试才是有效的。因为晶体都会存在其特有的结晶学特征，也就是空间点阵，14种Bravais格子代表了其晶格类型，晶面参数又限定了其节点间的相对数量关系。

于是，参考Bragg方程，让X射线通过晶体，只要满足Bragg衍射条件，便能提供晶体内原子排布的信息。所以，不管是采用德拜照相法、衍射仪法等，都会在θ角观测到衍射。

当然，也可以说XRD的基础是Laue衍射条件，但其实它和Bragg衍射条件本质是一致的，只是表达不同。

用途以及制样

MTEST系列原位测试仪简介及介绍：原位测试（微观力学测试+可视化监测）：在纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试。

可兼容集成扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、Raman光谱仪、原子力显微镜（AFM）、图像控制器（CCD）。

金相显微镜等成像设备对材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的一种力学测试技术，深入的揭示了各类材料及其制品的微观。

该课题研究项目中所建立的改型钛白粉的表征方法主要包括X射线衍射技术(XRD)(XRD)、扫描电子显微分析(SEM)、电子能谱(EDS)、红外光谱(FTIR)四种测试手段。

并对每种测试手段在不同改性技术上的表征应用进行了分析，对工厂和企业在对改型钛白粉的鉴别上具有较强的理论指导和实用意义，已在江苏部分钛白粉生产企业中进行了推广应用。

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