受限晶體結構鋁合金的超低擴散行為

原子擴散是自然界的一種常見現象，也是材料制備加工過程中調控材料結構性能的一個基本過程。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。但另一方面，高擴散速率會使金屬材料在高溫下結構失穩，導致許多優異性能喪失。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，一直是材料科技領域的一個重大科學難題，也是發展高性能金屬材料的重要技術瓶頸之一。

我們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10 nm以下并成功獲得受限晶體結構。利用這種受限晶體結構系統研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，受限晶體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69 K，表現出超低的原子擴散速率。此現象源于平均曲率為零的極小界面結構不但具有極高的高溫結構穩定性，而且改變了界面原子的振動模式，從而抑制了原子的擴散。

此發現不但揭示了受限晶體結構的一種全新原子擴散行為，而且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一條全新的途徑。相關論文發表于Science, 373 (2021) 683。