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院士出手!胶体晶体登上Nature!

来源:原创 编辑:admin 时间:2024-06-08 16:05
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  单柱液压机调速型液力偶合器蜗杆螺旋线准双曲面齿轮副粮油加工机械拉伸滑块主动齿轮推力球轴承亚美体育官方app苹果版或消除表现出有趣的特性,它们具有相同的晶体结构,经历相同的相变,并具有相同的晶体缺陷。与这些结构性质相反亚美体育官方app苹果版,胶体晶体的力学性质与原子系统的力学性质大不相同。例如,胶体晶体很软,只要搅拌一下就能融化亚美体育官方app苹果版,而由于加工硬化过程,胶体晶体的抗剪强度可以接近晶体的理论极限,这是迄今为止很少有其他材料达到的值。

  在这项工作中,来自美国哈佛大学美国国家工程院院士Frans Spaepen教授和Ilya Svetlizky教授团队表明了尽管这些相互作用简单,胶体晶体仍然可以表现出加工硬化的特性。微米级的粒子使得胶体晶体的结构和动力学可以用光学显微镜在单个粒子的水平上进行研究。因此,这些胶体晶体中的位错可以直接在三维和实时中可视化。该工作以题为“Work hardening in colloidal crystals”发表在《Nature》上。

  作者将直径1.55 μm的二氧化硅球分散在水和二甲亚砜的混合物中,其折射率与二氧化硅的折射率非常接近。溶解少量荧光素钠盐来染色,以进一步筛选颗粒的表面电荷,使颗粒之间产生硬球相互作用。将胶体分散体放入直径为1厘米的圆柱形剪切池中。电池的底部是一个模板,一个带有1.63 μm间距的方形凹槽阵列的盖。模板限制了沉积颗粒的第一层亚美体育官方app苹果版,并促进了[001]方向的面心立方(fcc)单晶的生长。作者使用旋转盘共聚焦显微镜,在单粒子分辨率下,对体积为200 × 200 × 60 μm 3的5个独立区域进行成像,共包含约500万个粒子亚美体育官方app苹果版亚美体育官方app苹果版。通过处理共聚焦图像亚美体育官方app苹果版,作者在三维空间中定位了粒子的位置,能够据此确定局部晶体结构,并利用它们各自的Burgers向量重建位错线。

  生长后的fcc晶体含有多个堆积层错,其特征是{111}平面上的局部六方密排(hcp)层错。层错以肖克利位错为界亚美体育官方app苹果版,在晶体生长过程中由晶体与模板之间约1%的错配应变而形成。在颗粒完全沉积后,作者通过置换嵌入模板上方50 μm的方形网格来剪切晶体。网格以2.5 μm h -1的恒定速度向[010]fcc方向移动,应变速率为1.4 × 10 -5 s -1。在变形过程中,三维共聚焦扫描以足够快的速度确定单个粒子随时间变化的轨迹。为了量化剪切晶体的变形,作者确定了弹性场和总应变场。通过将局部粒子构型与理想fcc结构进行比较,得到了每个粒子位置快照的弹性应变。相比之下,总应变是根据变形前颗粒的位置来定义的亚美体育官方app苹果版,这需要及时跟踪颗粒的位置(方法)。平均弹性应变(γ E)和总剪切应变(γ)是通过对所有颗粒的平均得到的。其中γ等于粒子在上下表面的相对位移除以它的高度。

  根据以上测量结果,作者发现晶体在γ≈0.005范围内具有弹性变形。总应变由弹性应变γ E = γ调节。在此屈服点之外,γ的增加会导致塑性应变的增加,γ P = γ−γ E亚美体育官方app苹果版。为了确定晶体如何容纳γ P亚美体育官方app苹果版,作者计算了空间分辨的von Mises等效应变亚美体育官方app苹果版。塑性应变是由沿斜{111}面的滑移介导的。这表明,在密实平面上,塑性应变是由经典的fcc滑移介导的。

  平均弹性应变提供了归一化应力σ/μ = γ E的度量,其中μ为剪切模量亚美体育官方app苹果版。实验显示这些硬球胶体晶体中的应变硬化,需要增加应力来适应塑性流动。为了证明塑性流动的不可逆性,作者将剪切方向反转以消除部分施加的剪应力,然后重新加载亚美体育官方app苹果版。发现需要更高的应力来重新启动塑性变形,屈服应力会随着累积的γ P而增加。应变硬化阶段在应力达到σ/μ≈0.02时结束。任何流动都保持在恒定的应力水平上。应力的饱和标志着流动行为的本质变化。为了量化均匀流动和局部流动之间的交叉。另外,作者发现,在应变硬化阶段,两个应变平均值是相同的,再次强调变形在整个晶体厚度上是均匀的。应力的饱和标志着应变硬化的结束,伴随着局部化的开始,局部区域的应变大于体应变亚美体育官方app苹果版。最后,当体应变饱和时,外加应变仅由局部区域调节亚美体育官方app苹果版亚美体育官方app苹果版。

  为了探索应变硬化的起源,作者重建了变形过程中完整的三维位错网络的演变。发现滑移主要是由两个滑移系统介导的,分别为和肖克利位错的滑移。两个滑移系统相对于施加的剪切是对称的。计算穿过两个滑移平面的所有位错的平均密度发现亚美体育官方app苹果版,胶体晶体的后期应变硬化可以用泰勒方程来描述。为了维持位错滑动,滑移系统上分解的剪切应力σ res随着ρ f的增加而增加。考虑到金属晶体和胶体晶体在粒径上有4个数量级的差异,在剪切模量上有9个数量级的差异,这一结果很有意思。胶体晶体非常密集的位错网络导致了非常高的σ res/μ,超过了大多数金属的σ res/μ,最终接近理论强度极限。对数据进行更详细的调查表明,泰勒方程不能解释应变硬化状态的早期阶段。初始位错密度是晶体与模板之间轻微拉伸失配的结果,因此,泰勒方程高估了流动应力。泰勒硬化是在位错网络短暂演化后才建立起来的。

  为了深入了解应变硬化的机制,作者研究了特定平面上滑移的演变。在塑性流动的早期阶段(γ P = 0.01),滑移是由活动位错的成核介导的。作者发现成核发生在晶体的不同部分,或者在晶体上表面附近形成半环,或者在晶体主体内形成全位错环的均匀成核。在流动后期,位错扩展(γ P = 0.02),滑块区域合并覆盖整个平面(γ P = 0.035)。这些观察结果揭示了泰勒硬化的潜在机制。在应变硬化后期(γ P = 0.02),随着初级位错的扩大亚美体育官方app苹果版,它们与位于其他滑动面上的肖克利位错相交并穿透初级面。坐着的实验表明初级和森位错之间的相互作用导致无柄连接的形成。作者也确定了Hirth型连接点,发现这些位错连接点对可移动位错的运动形成了强大的障碍。进一步的塑性应变可以通过解开不可移动连接点来调节。这些观察结果明确地证明了固定结在晶体应变硬化中的作用,为了维持塑性流动,应力必须足够高,以克服位错的影响。此外,测量结果还显示了泰勒预测和测量的流动应力之间差异的来源。在低应变下(γ P = 0.01),位错很短,不与林位错相互作用,因此尚未形成位错结。相反,位错的形核是应变硬化的主要机制亚美体育官方app苹果版。

  晶体中的应变硬化被局部化打断亚美体育官方app苹果版亚美体育官方app苹果版。作者发现肖克利部分位错的特定几何形状限制了可以在体中积累的应变。与完全位错不同,部分位错包括两种类型:在施加剪切作用时亚美体育官方app苹果版亚美体育官方app苹果版,领先的部分位错会留下hcp层错,而落后的部分位错会消除先前存在的层错亚美体育官方app苹果版。研究发现,主要滑移系为拖尾滑移系。通过成核和扩展亚美体育官方app苹果版,平面上的位错消除了外延晶体生长过程中失配位错留下的hcp层错。随着塑性流动的进行,层错逐渐耗尽亚美体育官方app苹果版。作者通过跟踪hcp粒子在平面上的比例系统地量化了这一过程。测量表明,堆积层错的耗尽标志着交错的结束亚美体育官方app苹果版,由于hcp粒子比例在低值饱和亚美体育官方app苹果版亚美体育官方app苹果版,当主要滑移系统不工作时亚美体育官方app苹果版,体块的变形完全停止。

  最后,测量揭示了驱动流动局域化的机制。在应变硬化过程中,滑移发生在经典的易滑动{111}面上,与之相反,流动局部化是由非常规(001)滑移面上的滑移介导的。滑移发生在Lomer位错的两个方向。近硬球胶体晶体中完美位错的存在是比较惊奇的。由于层错能逐渐减小亚美体育官方app苹果版,完全位错可能会解离为部分位错。由于施加的剪切应力,移动的部分位错与失配位错合并,在底部界面附近形成完美的Lomer位错。由于(001)平面上的高摩擦力,洛默位错通常被认为是相对不动的。在实验中,Lomer位错的激活是{111}滑移系统严重加工硬化的直接结果亚美体育官方app苹果版,这允许激活不太有利的(001)滑移系统。该阶段的分解流动应力约为0.01μ,这是接近理论极限的强度亚美体育官方app苹果版。

  总结,这项工作展示了硬球胶体晶体表现出的工作硬化现象亚美体育官方app苹果版亚美体育官方app苹果版。研究通过共焦显微镜对颗粒进行成像,并分析位移和应变来研究主导滑移系统的塑性变形过程。实验结果表明亚美体育官方app苹果版,随着位错密度的增加,胶体晶体的强度增加,并最终达到了经典的Taylor硬化行为亚美体育官方app苹果版亚美体育官方app苹果版。研究还发现,胶体晶体在应力饱和后,变形不再均匀,应变在底部表面内局部化。这项工作揭示了胶体晶体中的工作硬化现象亚美体育官方app苹果版,为理解塑性变形过程提供了重要见解。

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