中国石油大学(北京)《Acta Materialia》：操控织构大幅提升纳米线热稳定性!|Acta Materialia|acta materialia|中国石油大学|基体|纳米线|织构|金属

导读：金属纳米线因其具有本征高强度与大弹性应变而备受关注，将其作为增强相引入复合材料有望实现优异的结构与功能特性。然而，受控于界面能，金属纳米线在高温条件下易发生分段与球化，从而大幅降低其力学性能。本研究中，作者基于织构工程，通过调控纳米线与基体间的晶体学取向关系，有效降低界面能，提高纳米线的分段与球化临界温度。这一发现为提升纳米材料热稳定性提供了新思路。

金属纳米线（纳米片、纳米带等）因小尺度而具有远超体材料的力学与功能特性。因此，其常被作为增强相引入复合材料来进一步提高性能。过去二十年，学者们将Nb纳米线引入到金属基体中，从而实现了高强度、高硬度与高抗辐照性能。后来，中国石油大学（北京）团队通过将Nb纳米线引入马氏体相变基体中，首次获得了兼具高低模量、高强度及大弹性应变的复合材料（ Science, 2013 ）。随后研发的一系列NiTi/Nb纳米复合材料呈现了高导电率（ Advanced Materials, 2013 ）、高电催化性（ Journal of the American Chemical Society，2015 ）与无需训练的双程记忆效应（ Acta Materialia, 2021 ）等优异性能，从而备受关注。

上述Nb纳米线尽管呈现出优异的力学性能，但其在高温常分段与球化，导致性能大幅降低。研究表明，球化后的Nb纳米颗粒所呈现的弹性应变极限仅为1.78%，远低于纳米线的弹性应变极限6.5%。因此，提高Nb纳米线的热稳定性对其热加工工艺及高温环境中的应用均具有重要工程意义。

纳米线分段与球化行为的热力学驱动力为高界面能。已有文献报道，通过织构工程可调控界面的晶体学取向，有效降低界面能，从而提高纳米线的热稳定性。例如在Cu/Nb纳米复合材料中，(211)Cu//(211)Nb界面比(111)Cu//(110)Nb界面具有更低的界面能，使Nb纳米线具有更高的临界分段与球化温度。然而，织构调控在NiTi基合金中难以实现，因其在大塑性变形过程中易非晶化，消除了其塑性变形历史。对于丝材NiTi基合金而言，基体非晶化退火后的织构均为轴向<111>B2，而Nb纳米线的轴向织构为轴向<110>BCC，两者形成的界面失配度达31%，故Nb纳米线在NiTi基体中的临界分段与球化温度一般为550℃。进一步提高其热稳定性目前仍是一项挑战。

本文中，中国石油大学（北京）团队联合河北科技工程职业技术大学、燕山大学、安徽工业大学及香港城市大学学者，提出在NiTi基体中掺杂Fe，可抑制其在大塑性变形过程中的非晶化，同步辐射及高分辨透射电镜结果表明，Nb纳米线与基体的界面晶体学取向由(110)Nb//(111)NiTi转变为(110)Nb//(110)NiTiFe，从而降低界面能。此外，第一性原理计算结果表明，Fe掺杂提高Nb的扩散能垒，从而进一步提高纳米线热稳定性。这使得Nb纳米线的临界分段温度由550℃提高至700℃。

相关研究成果以Enhancing thermal stability of Nb nanowires in a NiTiFe matrix via texture engineering为题发表于Acta Materialia （2024年11月）。论文第一作者为中国石油大学（北京）博士，河北科技工程职业技术大学讲师陈宇轩，通讯作者为燕山大学张俊松教授与中国石油大学（北京）于开元教授。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424008747