成果发表

天目山实验室航空轻合金材料研究团队（负责人：马朝利教授）在块体单晶金属材料的关键制备技术方面取得重要进展，相关研究成果“Fabrication of bulk single crystals via texture-engineered grain growth”近日在国际知名学术期刊《Matter》上发表，天目山实验室为第一完成单位。该研究成果为块体单晶金属的固态可控制备提供了重要理论依据和关键技术储备。据悉，大尺寸单晶金属在航空航天、能源传输和集成电路等领域具有重要应用价值。

Cell Press旗下材料领域旗舰期刊《Matter》(《Cell》姊妹刊，最新影响因子：17.3) 2024年10月15日刊登了天目山实验室航空轻合金材料研究团队最新研究成果“Fabrication of bulk single crystals via texture-engineered grain growth（利用织构调控晶粒生长制备块体单晶）”。这一研究探究并揭示了形变织构诱导金属异常晶粒长大的微观机理，提出了一种大尺寸块体单晶金属的可控制备策略，实现了块体多晶金属铜及镍棒材的直接单晶化，为单晶金属结构材料的低成本制备以及规模化应用提供了技术储备。天目山实验室李鹤副研究员、刘茂文副研究员为论文第一作者，郑瑞晓副教授为论文通讯作者。论文合作单位包括北京航空航天大学、北京高压科学研究中心、哈尔滨工业大学（深圳）以及成都大学等。

相比于多晶，单晶材料由于消除了晶界而展现出优异的物理性质，因此得到广泛应用。例如，单晶高温合金由于不存在高能量晶界，可有效避免高温下的晶界滑移，具有优异的高温抗蠕变性能，因此可用于制造航空发动机涡轮叶片；单晶硅拥有比多晶硅更佳的光电性能，极大推动了集成电路制造与光伏产业的发展；单晶金属铜因消除了晶界处电子/声子散射而具有优异的导电与导热特性，因此广泛应用于电力传输、电子通讯以及热管理等领域。

传统单晶生长技术，例如光学浮区法、Bridgeman法以及Czochralski法等，依赖于传统的熔体定向凝固技术，其基本原理是对多晶金属加热至熔点以上进行熔融，然后利用籽晶定向凝固形成单晶。近年来，基于异常晶粒生长的固态单晶生长技术因其成本低、工艺简单且晶体质量高等优点而受到广泛关注。然而，受表面能最小化的驱动，目前异常晶粒长大主要用于二维材料（石墨烯、氮化硼等）生长所需的单晶金属箔材衬底的制备，其厚度仅为几十微米。虽然通过循环热处理已成功获得块状单晶形状记忆合金，但该方法局限于具备结构相变的材料。另外，由于金属变形再结晶过程中的晶粒生长取向难以调控，易出现竞争性生长，传统应变退火法仅可获得大晶粒多晶金属，难以实现大尺寸块体多晶金属材料的直接单晶化。

图1. 块体单晶铜及其晶体结构表征

为了突破单晶固态生长的技术瓶颈，研究团队以金属铜作为模型材料，开展基于异常晶粒长大的块体单晶固态生长研究。本项目探究并揭示了形变织构诱导金属铜异常晶粒长大的微观机理及动力学，发展了一种利用织构调控晶粒异常生长，进而实现大尺寸块体单晶铜棒材可控制备的新方法（图1）。相比于商用OCC单晶铜，该方法制备出的单晶铜组织均匀、缺陷少、无亚晶界形成，可有效减少界面电子散射，因此具备较高的电导率。

研究团队首先通过对比实验，阐明通过冷拉拔可有效引入形变织构，而变形织构（拉拔）在退火过程中可有效诱导异常晶粒长大为单晶。对于无塑性变形多晶铜，高温退火后只得到无规则取向大晶粒多晶铜。研究团队通过研究不同温度热处理后多晶铜棒的微观组织演变，发现高温下{111}取向大晶粒易通过吞并周围小晶粒实现快速长大，进而导致变形金属铜再结晶过程中发生<111> + <100>双织构到<111>单织构转变。

研究团队进一步揭示了温度梯度驱动籽晶（异常大晶粒）取向性生长是实现大尺寸单晶固态生长的关键。研究中通过观察晶粒沿金属棒材轴向的长大情况，发现温度梯度退火可避免大晶粒间竞争性生长，进而驱动单一大晶粒作为籽晶定向生长。通过后续工艺优化，研究团队选择合适的温度梯度，实现了大尺寸单晶铜棒材的制备。此外，研究团队还对温度梯度驱动异常晶粒长大过程进行动力学分析，发现高温区晶界迁移率较低温区快，导致高温区异常大晶粒具备往低温区拓展的趋势，从而有利于单晶沿温度梯度方向定向生长。

综上，研究团队通过预塑性变形引入织构，随后通过温度梯度退火控制异常晶粒作为籽晶定向生长，最终消除晶界，实现了块体多晶金属的单晶化（图2）。该研究结果为理解异常晶粒长大的深层次机理提供理论支持，为实现大尺寸高性能块体单晶金属材料的固态生长提供了技术储备，并有望进一步拓展到其他单晶金属结构材料的宏量制备。

图2. 块体单晶固态生长技术路线图

论文链接：

‍https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.09.019‍