纳米晶材料，由于其独特的微结构和优异的性能（如高强度、高硬度、高韧性、超塑性等），引起了人们越来越多的关注。在过去几十年间，大多数研究工作主要致力于如何获得细小的平均晶粒尺寸，而对工程可靠性至关重要的微结构均匀性却鲜有研究。由于宏观材料的失效通常发生在微结构的最薄弱环节，因此减小晶粒尺寸分布，获得均匀的微结构，对于包括纳米晶材料在内的多晶体材料的开发及应用极为重要。

近日，兰州大学物理科学与技术学院李建功教授团队与国内外多家机构科研人员合作，在块体纳米晶和超细晶材料领域取得重要进展，首次提出超均匀纳米晶材料的概念，并进行了系统的理论分析和实验论证，这对包括纳米晶材料在内的多晶材料的开发及应用具有重要的参考价值和指导意义。

基于Ostwald熟化机制，研究者给出了广义LSW-Hillert晶粒生长理论的解析，并分析发现：较大的晶粒生长指数能够给出较窄的归一化晶粒尺寸分布。这表明，如果能在块体材料烧结致密化过程中维持较大的晶粒生长指数，或许就能得到突破Hillert极限的超均匀多晶体材料。这一理论预测在烧结氧化铝样品中得到了验证。在相对密度为65-70%的样品中，归一化晶粒尺寸分布最窄，其晶粒尺寸分布标准差仅为0.25。利用两步烧结法，作者在Al2O3、难熔金属（Mo单质和90W-10Re合金）、复杂氧化物体系（核壳结构BaTiO3和多组分固溶体0.87BaTiO3-0.13Bi(Zn2/3(Nb0.85Ta0.15)1/3)O3）等多个体系中均制备得到了致密均匀的纳米晶、超细晶材料。特别是利用高纯、分散、超细（4.7 nm）α-Al2O3纳米颗粒为原料，通过优化烧结参数，制备得到致密、细晶（34 nm）、超均匀的氧化铝纳米晶陶瓷，归一化晶粒尺寸分布标准差仅为0.30（如图），远低于半个多世纪前Hillert预测的理论极限（0.354）。

致密烧结体中归一化晶粒尺寸分布标准差σ与平均晶粒尺寸Gavg的关系

近日，该研究结果以“Ultra-Uniform Nanocrystalline Materials via Two-Step Sintering”为题在Advanced Functional Materials上发表。兰州大学李建功教授、麻省理工学院李巨教授和宾夕法尼亚大学陈一苇教授为论文共同通讯作者。论文主要合作者包括麻省理工学院董岩皓博士、兰州大学博士生杨红兵、北京科技大学章林教授及博士生李星宇、美国爱达荷国家实验室Dong Ding博士和清华大学王晓慧教授。该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202007750