【摘 要】
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纳米尺度下表面效应对金属材料性能的影响是目前的重要研究领域,而纳米尺度下金属的力学性能和变形过程尤其受到广泛的关注,深入了解纳米尺度下金属材料的变形机制对于进一步了解金属材料的力学性能从而开发新一代的器件具有重要意义。为了深入探讨纳米尺度下金属材料的变形过程,虽然目前人们已经开展了大量的实验和理论研究,但是由于开展这一类研究的技术难度相对较大,使得关于表面效应的机制以及对材料变形过程的影响等仍然有
【基金项目】
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国家杰出青年科学基金项目（6506000143）；
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纳米尺度下表面效应对金属材料性能的影响是目前的重要研究领域,而纳米尺度下金属的力学性能和变形过程尤其受到广泛的关注,深入了解纳米尺度下金属材料的变形机制对于进一步了解金属材料的力学性能从而开发新一代的器件具有重要意义。为了深入探讨纳米尺度下金属材料的变形过程,虽然目前人们已经开展了大量的实验和理论研究,但是由于开展这一类研究的技术难度相对较大,使得关于表面效应的机制以及对材料变形过程的影响等仍然有很多未知之处,有待进一步研究。本文利用亚（?）级分辨率的透射电子显微镜并结合先进的原位力学实验手段,深入研究了纳米尺度下Pb、hcp-Ag纳米颗粒的力学变形过程,从原子尺度上解析了挤压和拉伸过程中金属晶体结构的动态演化规律,并探讨了尺寸效应、表面氧化等因素对金属纳米颗粒力学行为的影响,具体包括以下几个方面:1.Pb、hcp-Ag纳米颗粒的可控制备。（1）通过控制温度和电子束辐照,在PX-PbTiO3纳米线表面原位制备具有不同尺寸、不同表面结构的Pb纳米颗粒,在原子尺度下观察了Pb的生长、体心四方相PX-PbTiO3到单斜相Ti O2（B）结构演变的过程,证明了电子束辐照和温度是制备Pb的必要因素;（2）通过化学沉淀-光照还原的方法,在钙钛矿相PbTiO3纳米线表面制备了具有不同尺寸的六方相hcp-Ag纳米颗粒。2.尺寸效应对Pb纳米颗粒变形过程影响的原位研究。（1）原子尺度下原位观察了Pb纳米颗粒在原位力学实验中的类液态赝弹性变形过程和孪晶、位错等塑性变形过程;（2）定量统计分析了尺寸效应对Pb纳米颗粒变形机制的影响:随着颗粒尺寸减小,发生位移型变形的概率逐渐减小,实验中观察到位移型变形的颗粒最小直径为7.25 nm;（3）随着Pb颗粒尺寸减小,其表面原子占比急剧增加的同时颗粒的熔点也会逐渐降低,使得原子的表面扩散更加容易发生。3.氧化对Pb纳米颗粒变形过程影响的原位研究。（1）原子尺度下原位观察了Pb纳米颗粒的表面氧化过程;（2）原位研究了氧化对Pb纳米颗粒变形过程的影响:表面氧化对于孪晶、位错滑移等位移型变形过程没有明显的影响,但显著限制了Pb原子的表面扩散过程,阻碍了赝弹性变形、蠕变等扩散型变形的发生,使得纳米颗粒只能表现出塑性变形行为。4.表面扩散对hcp-Ag纳米颗粒变形过程影响的原位研究。（1）针对hcp-Ag纳米颗粒进行了原位力学实验,从原子尺度上观察到由原子表面扩散引发的hcp-Ag纳米颗粒的自修复过程、表面自发形变过程等现象;（2）基于实验结果半定量地测量了hcp-Ag纳米颗粒的表面扩散系数,其Ds在数量级上为10-18 m2/s。本文利用现代原位透射电子显微学的手段和方法,分别以四方相PX-PbTiO3纳米线、Pb纳米颗粒和六方相hcp-Ag纳米颗粒为研究对象,开展了从原子尺度上原位、实时观察纳米材料在外场作用下表面结构演变的实验,证明了纳米尺度下表面效应对金属纳米材料的力学性能起到不可忽略的作用,从而为具有复杂表面结构材料的制备和新型功能器件的设计提供了理论基础。
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