纳米铜孪晶的分子动力学模拟研究现状与展望

郭鑫，杨攀峰，罗建华，卢学峰

(兰州理工大学 有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃 兰州 730050)

多晶体材料强度与晶粒尺寸之间的关系可用霍尔-佩奇(Hall-Petch)公式来表示，但由于实验条件的限制，都在微米级晶粒尺寸下研究两者的关系，而更小晶粒尺寸下的材料性能关系还无法判定，随着材料制备新技术的研究与探索，发现纳米尺度下材料的强度更高(与Hall-Petch公式不符)，因此引发了研究人员广泛地关注，使其在材料科学领域扮演着越来越重要的角色[1-5]。

纳米铜微粒制备技术还不成熟，因此，合成形貌和尺寸可控的铜纳米材料已成为研究热点[6-10]。而实验之前对其进行计算模拟，可降低实验成本，鉴于此，本文针对铜孪晶作用机制及其分子动力学模拟研究进行了综述。

1 孪晶及其作用机理

孪晶是指两个晶体(或一个晶体两部分)沿着公共晶面构成镜面对称的位向关系，效果是起硬化和降低塑性作用。各种不同类型的晶界中，孪晶界面的优势在于维持强度、韧性以及导电性能等[11]，可使材料展示出良好的热学和力学的稳定性，尤其当尺寸减小到纳米级别时，界面原子所占的比例变大，孪晶界的作用越发明显[12]。通过将孪晶界引入纳米结构材料，既能作为促进塑性变形的位错源，又能成为位错进一步运动的障碍，能同时提升材料的强度和韧性[13]。纳米孪晶金属优异的综合力学性能在于其独特的塑性变形方式，位错-孪晶界的交互作用是决定纳米孪晶金属宏观性能的本征原因，而这从根本上与多晶体材料中晶格位错以及位错-晶界之间的交互作用是不一致的[14]，孪晶界面上位错引起的应力集中与外加切应力以及位错塞积的数量成正比这一点与晶界强化是相似的，随孪晶片层厚度减小，孪晶内部可塞积位错数量逐渐减少，位错穿过孪晶界所需外加应力提高，当孪晶片层变薄以至于位错塞积无法形成时，将需要较大的外加应力促使单个位错穿过孪晶界。模拟结果也表明，当位错穿过孪晶界时，根据入射位错的性质和类型不同，在孪晶界上出现可滑移位错即不全位错、固定不可动位错或位错锁、相邻孪晶片层内的层错等[15]。

2 孪晶界对变形机制与变形行为的影响

在拉伸塑性形变过程中，孪晶界既能作为位错源又能阻碍位错移动，同时孪晶界的存在对变形行为也有着重要的影响。Sun 等[16]采用分子动力学模拟研究了孪晶Cu纳米线的断裂变形行为，发现孪晶纳米线的断裂行为和延展性与孪晶间距密切相关。Song等[17]利用分子动力学模拟考察了相干孪晶界(TB)间距和堆垛层错(SF)间距对铜纳米线(NWs)变形行为的影响，发现对于含有TB和SF的铜NWs，机械性能分别有最佳的TB间距和SF间距，并且含有交替TB和SF的铜可以达到更高的峰值应力和峰值应变。Sainath等[18]利用分子动力学模拟了铜纳米柱变形的孪晶界效应，发现孪晶界的引入使铜纳米柱的塑性变形方式从孪生变成滑移，并且这种变形行为差异主要是由孪生纳米柱中形成梯杆位错及其解离导致的。闻鹏等[19]采用分子模拟方法研究了纳米多晶铜的超塑性变形行为，发现当晶粒尺寸>14.85 nm时，纳米多晶铜的变形机理以位错运动为主；除此之外，变形机理以晶界运动为主，变形行为机制的改变正是纳米多晶铜出现软化现象根本原因。何安民等[20]使用分子模拟考察了单晶铜薄膜在双向等轴拉伸应变下的塑性变形行为，发现当应变超过一定值时，单晶铜内部出现了位错、层错及孪晶；当内部出现大量堆积层错及孪晶后，较大孪晶的密排面上的原子也会发生滑移，形成孪晶内层错结构以释放残余应力。Zhang等[21]通过模拟技术对含孪晶的铜纳米线进行研究，发现在拉伸载荷作用下，当孪晶界间距变得越小时，纳米线在塑性形变区域内所产生的应力越低。Garritt等[22]采用计算模拟来研究室温下孪晶界对单轴应变下柱状纳米晶铜变形的作用，发现纳米孪晶通过改变基本变形机制及其在应变调节中的贡献来影响纳米晶铜的力学行为。Zhao等[23]通过模拟来阐明纳米孪晶铜的变形机制，形变孪晶在具有特定结晶学取向的纳米孪晶Cu的塑性变形中起主导作用，孪晶是通过位错与孪晶界之间的交互作用形成的。Fang等[24]采用分子模拟对纳米孪晶铜双晶体进行考察，发现TB缺陷对纳米孪晶Cu变形机制的影响随着孪晶界面间距减小及应变硬化增加或在加工过程中TB缺陷密度的增加而变得更加突出。Zhang等[25]采用分子模拟技术观察具有复合结构的双峰纳米孪晶Cu的变形过程，发现高密度的TB和粗大的纳米孪晶的体积分数可增加双峰纳米孪晶Cu的强度，并且双峰纳米孪晶铜的变形机制与TB方向有极大关联。

3 孪晶界对材料性能的影响

孪晶与孪晶界的存在对材料性能的影响吸引了研究者的广泛兴趣，孪晶的形成和堆垛层错有密切的关系，Wu等[26]通过分子模拟研究了剪切加载下堆垛层错在具有共格孪晶界的双晶铜中的稳定性，发现较低的临界应力是由堆垛层错四面体(SFT)所导致的，且增大四面体尺寸可以降低临界应力，随相干孪晶界向层错的持续迁移导致其发生失效。邹蓉等[27]利用分子模拟方法考察了旋转晶界角对铜孪晶纳米线拉伸加载力学性能的影响，发现随着旋转晶界角增加到较大程度时，位错容易在晶界处成核，且界面对位错的存储能力和阻碍作用都降低，导致铜纳米线屈服强度降低。Cao等[28]通过实验与模拟相结合，研究了由相干孪生界面控制的纳米晶铜中应变硬化行为，证明Lomer-Cottrell(L-C)位错锁定的新型交叉相干孪晶界(i-CTBs)引发了纳米金属结构上的强应变硬化，这主要来源于孪晶界阻塞和滑移带上位错锁定钉扎的协同增强作用。Fu等[29]模拟研究了孪生界面对铜/镍多层膜的影响，发现通过水平层错滑移的方式可释放内应力，导致晶体取向发生改变，进而引发了孪晶界的运动，这促进了多层硬化。Bejaud 等[30]模拟研究了形变孪晶与纳米结构界面的相互作用，发现界面可以通过Lomer处的位错运动直接或间接诱导孪晶的形核，进而决定纳米结构中形成孪晶的尺寸。总的来说，孪晶界面可以存储和阻碍位错，且在内部结构变化中伴随多种机制的协同作用，从而会影响材料性能。

4 结语与展望

综述了纳米铜中有关孪晶与孪晶界面的机理及其对材料性能的影响，分析了研究者目前在纳米铜孪晶方面的研究进展，归纳了研究成果。目前纳米铜孪晶的研究主要在塑性变形机理以及孪晶界作用引起的强化作用和稳定性，利用分子模拟考察孪晶、孪晶界以及塑性变形规律，以此为参考，通过调节实验参数来获得性能较为理想的纳米铜材料。

纳米铜孪晶的未来发展：①合成技术还不完备，阻碍了其在实际中的应用，因此，获取所希望的纳米铜结构是重中之重；②由于分子动力学模拟技术的飞速发展，理论模拟在实验中的指导作用变得越来越重要，但模拟计算的关键是势函数的选取，直接决定着计算结果的准确性，所以，提高模拟精度是将来要解决的首要问题。此外，模拟与实验相结合，先理论计算位错、孪晶及孪晶界面在塑性变形中产生作用的基础数据，进而分析确立对变形机制和行为影响规律，最后为实验提供指导，制备出综合性能优异的纳米孪晶铜材料。