江苏激光联盟导读：
伯克利实验室和北航的研究人员合作研究了利用低温锻造纳米孪晶钛的工艺，在超低温下操纵金属结构，让强度和延展性在工业制造中获得良好平衡。
新突破
钛强度高、重量轻，是所有结构金属中强度重量比最高的。但在 保持强度和延展性良好平衡的情况下对其进行加工 （在金属不断裂的情况下进行延伸）不仅极具挑战性，而且十分昂贵。因此，钛在特定行业中一直是作为特殊材料而存在的。
在最近《Science》杂志上发表的一项研究报道中，能源部（DoE）劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory，一般简称为伯克利国家实验室)的研究人员发现了利用钛的实用方法，或为该材料未来的广泛用途开辟新的篇章。
研究小组发现，他们可以使用一种叫做 低温锻造 （cryo-forging）的技术，在超低温下操作十亿分之一米(即1纳米)的纯钛，生产出超强的“ 纳米孪晶钛 ”，在此过程中仍然保持其良好延展性。
伯克利实验室Molecular Foundry的科学家使用一种叫做电子反向散射衍射(EBSD)的电子显微镜技术来成像具有纳米孪晶结构的纯钛的结构。每种颜色代表颗粒的独特方向。窄带状即为通过做低温锻造工艺产生的纳米孪晶结构。(来源：Andy Minor/伯克利实验室)
“这项研究是第一次有人在块体材料（bulk materials）中形成纯纳米孪晶结构，”该研究的项目负责人、伯克利实验室纳米科学用户设施——Molecular Foundry的国家电子显微术中心主任Andrew Minor说，“有了纳米孪晶钛，我们不再需要在强度和延展性之间做出选择，两者不再是非此即彼的‘零和博弈’，而是可以同时实现这两个目标。”
牵一发而动全身
金属的机械性能部分取决于它们的晶粒 ——形成材料内部结构的重复原子图案的微小单个晶体区域。晶粒间的边界（晶界）是图案变化的地方，通过阻止位错缺陷移动并削弱材料的结构来对金属进行强化。要想更好地理解此，不妨把晶粒想象成街道，把晶粒边界想象成阻止原子“汽车”通过的交通信号灯。
强化金属的一种简单方法是 缩小其晶粒尺寸 ，通过锻造形成更多的边界——通过轧制或锤击在高温甚至室温下压缩材料。然而，这类型的加工往往以牺牲延展性为代价，其内部结构被破坏、容易断裂。
较小的晶粒“街道”和不断增加的“交通信号灯”导致原子“交通拥堵”并破坏材料 。Minor解释道：“材料的强度通常与内部晶粒的大小相关，晶粒越小，材料的强度越好。但是高强度和延展性通常是相互矛盾的，难以取舍。"
这就不得不说说纳米孪晶这种特殊的原子排列了，其晶体结构中的微小边界 对称排列 ，就像彼此的镜像。把它理解成双胞胎（twins），就能理解其名字nanotwins的来源了。回到原子道路上，谷物“街道”上的交通信号灯变成了具有纳米孪晶结构的减速带，使原子更容易四处移动，而不会积聚应力，同时保持更高的强度。
纳米孪晶
纳米孪晶材料并不新鲜，然而制造它们通常需要专门技术，且成本昂贵。这些技术尤其适用于铜等金属，通常仅用于制作薄膜。此外，大多数情况下，薄膜特性与块体材料并不兼容。
为了制造纳米孪晶钛，该研究团队使用了低温锻造简单这种技术，在超低温下操纵金属结构。这项技术将一个非常纯(超过99.95%)的钛立方体放入零下321华氏度的液氮中。当立方体被淹没时，立方体收到压缩作用。在这些条件下，材料的结构开始变化、形成纳米孪晶界。立方体随后被加热到华氏750度，以去除在孪晶界之间形成的任何结构缺陷。
高纯钛中生成纳米孪晶结构的低温锻造过程示意图
研究人员对新形成的材料进行了一系列压力测试，并使用电子显微镜来观察、揭示其独特性能。在这些测试中，他们发现纳米孪晶钛具有更好的 可成形性 ，因为 它既能形成新的纳米孪晶边界，又能消除先前形成的边界，这两者都有助于变形 。
他们还在高达1112华氏度（约为流动熔浆的温度）极端温度下测试了这种材料，发现它“坚挺”地保持了它的 结构和特性 ，证明了这种材料的多功能性和广泛性。在超低温下，纳米孪晶钛能够承受比普通钛更大的应变，这与大多数金属通常的情况相反。在低温下，大多数材料会变得更脆。
这些纳米孪晶结构的大小和数量可以 改变金属的特性 。就钛而言，研究人员发现纳米孪晶使金属的 强度增加了一倍 ， 在室温下延展性增加了30% 。在超低温下，这种改善更为显著——纳米孪晶钛能够在断裂前长度 翻倍 。
纳米孪晶钛在相对较高的温度下也保持了其优异的性能，表明这些性能不仅会在多种温度条件下存在，而且会在外层空间的极寒和喷气发动机的高热附近持续存在。
使用低温锻造制造纳米孪晶钛具有潜在的成本效益，可用于商业生产，并用于生产易回收的产品。此外，正如Minor所说，该研究展示了钛的纳米孪晶机制，但它‘举一反三’、很有可能会在延展性受限的其他材料中发挥作用。”
未来，研究人员会不断探索他们为钛开发的工艺是否可以应用于其他金属。
来源：伯克利实验室官网
江苏激光联盟陈长军原创作品！