镍微米颗粒高应变率压缩变形行为的跨尺度研究：从分子动力学模拟到实验验证

本研究首次系统探究了固态去湿法制备的镍单晶微米颗粒在6个数量级应变率(0.001-1000 s-1 )和两种温度(300K/128K)下的力学响应，结合MD模拟揭示了表面位错 nucleation 主导的变形机制，填补了FCC金属微尺度高应变率变形研究的空白，为微型化器件设计提供重要理论依据。

　　

在微型化技术快速发展的今天，金属材料在微纳尺度的力学行为研究变得至关重要。随着器件尺寸的缩小，材料在相同加载速度下将承受更高的应变率，而应变率与温度的协同效应却常被忽视。镍作为典型的FCC金属，其微米颗粒在极端条件下的变形机制研究仍存在巨大空白。传统微柱压缩实验受限于FIB制样带来的缺陷，且应变率范围(通常<0.001 s^-1
)与分子动力学(MD)模拟(>10⁶
s^-1
)相差9个数量级，导致实验与模拟结果难以直接对比。

为解决这一难题，国外研究团队创新性地采用固态去湿(SSD)技术，在c面蓝宝石基底上制备了具有自相似形貌的镍单晶微米颗粒。这些颗粒呈现规则的截角多面体形貌，所有颗粒均具有相同的(111)取向和1.13±0.1的纵横比，为系统研究尺寸效应提供了理想模型。通过定制改造的压电式微机械测试平台，研究人员首次实现了从准静态(0.001 s^-1
)到高应变率(1000 s^-1
)共6个数量级的力学测试，并在128K低温下完成了3个数量级的应变率扫描，将实验与模拟的差距缩小到1个数量级。

关键技术包括：(1)固态去湿法制备尺寸可控的镍微米颗粒；(2)高时空分辨的in situ SEM压缩测试；(3)多尺度表征结合EBSD、TEM分析；(4)分子动力学模拟与Winterbottom构造建模；(5)热激活参数分析。

结果与讨论
去湿过程：通过100nm镍薄膜在1050°C(0.7T_M
)退火24小时获得尺寸650-4500nm的颗粒，EBSD证实所有颗粒均为(111)取向。Wulff构造计算显示颗粒存在高指数晶面{210}和{320}，这与表面杂质吸附有关。TEM显示小颗粒基本无位错(ρ~2×10¹³
m^-2
)，而大颗粒存在少量长位错线。

微颗粒压缩：发现两种典型应力-应变曲线：低应变率(<1 s^-1
)时出现突发应力降，对应位错 avalanche；高应变率(>1 s^-1
)呈现平滑弹塑性转变。热激活分析显示表观激活体积<3b³
，证实表面位错 nucleation 主导变形。128K下强度提高50%，但变形机制不变。

MD模拟：40nm颗粒模拟显示应力降幅度达5.9GPa，与实验值3.8GPa的差异源于尺寸效应和预存位错。发现位错环被表面特征钉扎，遵循τ=τ₀
+B/d的尺寸效应规律。

结论：研究建立了镍微米颗粒变形机制的完整图谱，揭示应变率通过影响位错 depinning 和 annihilation 过程来调控变形行为。在低应变率下，机械退火导致位错 avalanche；高应变率下多位错 nucleation 产生交互作用，形成明显的位错胞结构。该成果为理解FCC金属微尺度动态变形提供了新视角，对冷喷涂、柔性传感器等应用具有指导意义，论文发表在《Materials Today》期刊。