許多工程材料含有兩相或更多相，從而改善其特性和性能。這些兩相材料的微觀結(jié)構(gòu)中通常會(huì)嵌入包裹體（稱為析出物）。合金是兩種或更多種金屬的組合，適合多種應(yīng)用，如汽車中使用的輕量化合金。受益于嵌入的析出物，合金具有很好的機(jī)械性能。然而，平均析出物的大小往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加（這一過程被稱為粗化），導(dǎo)致具有納米級(jí)析出物的微結(jié)構(gòu)性能下降。

（圖片來源：伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校）

據(jù)外媒報(bào)道，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種穩(wěn)定合金中納米級(jí)析出物的新途徑。

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在一項(xiàng)新的研究中，材料科學(xué)與工程教授Pascal Bellon、博士后研究員Gabriel Bouobda Moladje及其合作者表明，通過非平衡過程可以阻止析出物粗化，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)。

Bellon表示：“在過去的二十年里，研究人員已經(jīng)意識(shí)到，結(jié)構(gòu)中擁有納米級(jí)的包裹體，實(shí)際上對(duì)材料非常有利。挑戰(zhàn)在于，這些小顆粒自發(fā)地想要變大。”

把這想象成做意大利面：當(dāng)在沸水中加入油時(shí)，剛加入和攪拌時(shí)油滴可能很小，如果停止攪拌，油滴就會(huì)結(jié)合在一起形成更大的油滴。這就是粗化過程。Bellon表示：“如果我們對(duì)小尺度物體的分布感興趣，必須與物體變粗的自然趨勢(shì)作斗爭(zhēng)。”

該團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算模型來探討受到輻照（一種非平衡力）時(shí)在材料不同晶體之間的域（稱為晶界）形成的析出物。在平衡環(huán)境中，力是平衡的，并且材料不會(huì)出現(xiàn)凈變化。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，硬質(zhì)材料會(huì)受到非平衡力的作用，例如輻照，甚至是攪拌。因此，了解析出物在這種非平衡環(huán)境中如何演化非常重要。

Bellon表示：“我們對(duì)受到高能粒子輻照的合金特別感興趣，如用于核應(yīng)用的材料。用于太空的材料也是如此，會(huì)受到宇宙射線的轟擊。這項(xiàng)研究專門探討一種鋁和銻的模型合金。”

在鋁和銻的合金中，銻會(huì)形成析出物，如同油在水中形成油滴。研究人員發(fā)現(xiàn)，如同預(yù)期，當(dāng)受到輻照時(shí)，在晶界處會(huì)形成析出物。然而，出乎意料的是，這些析出物不會(huì)粗化并繼續(xù)生長(zhǎng)，而是在達(dá)到一定尺寸后停止，這被稱為抑制粗化行為。

這種方法可以應(yīng)用于其他材料系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，物種的傳輸起著重要作用，例如電池中電極之間的離子物種傳輸。在電池材料中，存在小析出物是有利的，因?yàn)榇笪龀鑫飼?huì)對(duì)材料產(chǎn)生很大的應(yīng)力。在這種情況下，抑制粗化是有益的。

研究人員計(jì)劃對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Bellon表示：“我們很高興能將建模、理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，同時(shí)利用材料研究實(shí)驗(yàn)室的所有工具，對(duì)計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。”