原子擴散是自然界的常見現象，也是材料制備加工過程中調控材料結構性能的基本過程。金屬材料中原子擴散速率顯著高于具有共價鍵或離子鍵的陶瓷和化合物，利用金屬的高擴散速率可以在較低溫度下大幅度調控金屬材料的結構和性能，獲得良好的綜合性能。而高擴散速率會使金屬材料在高溫下結構失穩，導致較多優異性能喪失，如較多金屬的強度在高溫下會顯著下降。如何有效降低金屬和合金中的原子擴散，提高材料結構和性能在高溫下的穩定性，是材料科技領域的重要科學難題，也是發展高性能金屬材料的技術瓶頸。實際上，提升高溫合金耐熱溫度的本質是如何有效降低合金中的原子擴散以增強其結構的高溫穩定性。以往研究表明，通過適當的合金化和減少晶界等結構缺陷可在一定范圍內降低原子的擴散速率，但降低幅度有限。尤其是在接近材料熔點的高溫下，降低原子擴散速率十分困難，這是由于在接近熔點時金屬原子振動加劇，晶格中的平衡空位濃度急劇升高，導致原子擴散大幅提升。

　　近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心納米金屬科學家工作室在上述科學難題研究中取得重要進展。金屬所博士后徐偉、研究員張波與李秀艷，以及中科院院士盧柯等發現，Schwarz crystal（受限晶體）結構可以顯著降低鋁鎂合金中的高溫原子擴散速率，在該合金平衡熔化溫度附近Schwarz crystal結構的表觀晶間擴散速率比同成分材料的晶界擴散降低約7個數量級。8月6日，相關研究結果發表在《科學》上。該研究揭示了Schwarz crystal結構的一種全新原子擴散行為，并表明金屬材料的高溫原子擴散速率可以利用這種新型亞穩結構得到大幅度降低，為發展高性能高熱穩定性金屬材料開辟了全新的途徑。

　　Schwarz crystal結構是該研究團隊于2020年發現的新型亞穩結構【Science，370 (2020) 831-835】，是一種具有孿晶限制的極細多晶體結構，其中晶粒之間的界面具有一種極小界面結構特征，稱為Schwarz-D界面，其平均曲率為零。因此，這種結構具有極高的熱穩定性和力學穩定性，純銅Schwarz crystal結構的晶粒長大溫度接近銅的平衡熔點。受限晶體結構的發現為探索固態物質結構基本特征及其新性能開辟了全新空間。繼Schwarz crystal結構發現后，研究團隊利用自主研發的低溫塑性變形技術，將過飽和Al-15%Mg合金薄片的晶粒尺寸細化至10nm以下并獲得Schwarz crystal結構。科研人員利用這種Schwarz crystal結構，探究了該合金在升溫過程中的三種原子擴散控制的結構演化過程：金屬間化合物的析出過程、晶粒長大過程和熔化過程。結果表明，在接近合金熔點的高溫下，Schwarz crystal結構可以有效抑制這三種結構演化過程，甚至使合金的熔化溫度比平衡熔點提升了69K，表現出超低的原子擴散速率。該現象源于平均曲率為零的極小界面結構，具有極高的高溫結構穩定性，改變了界面原子的振動模式，從而抑制了原子的擴散。

　　研究工作得到國家重點研發計劃和中科院科學家工作室計劃的資助。

　　論文鏈接 

圖1 受限晶體Al-Mg合金的結構與成分

圖2 Al-Mg合金受限晶體的（SC-8）晶格常數、晶格中鎂含量及晶粒尺寸隨退