通过晶粒细化及晶界介导的变形机制，克服Mg–Li合金箔的几何脆性问题

《Journal of Magnesium and Alloys》：Overcoming geometric embrittlement in Mg–Li foils through grain refinement and grain-boundary–mediated deformation

高比差速轧制（HRDSR）工艺制备的Mg-10Li超细晶箔（晶粒尺寸1.1μm，t/d≈91）在室温下表现出优异的均匀塑性变形能力（延伸率>30%），其机理是晶粒细化显著提高t/d比，激活晶界滑动（GBS）和位错攀移（DCC）协同作用，有效缓解平面应力几何约束。相比之下，粗晶粒样品（晶粒尺寸29.4μm，t/d≈3.4）因变形不均匀过早颈缩。研究揭示了晶粒尺寸、t/d比与变形机制的关系，为超薄金属箔的加工和应用提供了理论依据。

　　
本文聚焦于通过高比差差速轧制（HRDSR）工艺制备超薄镁锂合金箔，系统研究其微观结构演变与力学性能优化机制，为超薄金属箔在柔性电子、生物可吸收植入物及轻量化储能器件等领域的应用提供理论支撑。研究揭示，晶粒细化与晶界结构调控可有效克服平面应力条件下的几何限制，显著提升材料均匀变形能力与抗颈缩性能。

### 一、研究背景与科学问题
超薄金属箔（厚度<200μm）因其独特的平面应力状态和优异功能特性，在柔性电子器件、微机电系统（MEMS）及可降解医疗器械等领域展现出广阔应用前景。然而，超薄箔材面临双重几何约束：一是厚度与特征尺寸的比值（t/d）过低，导致晶界数量有限，难以均匀协调变形；二是平面应力状态易引发应变局部化，迅速引发颈缩失效。传统镁锂合金因粗大晶粒（d>10μm）难以突破上述限制，研究团队通过HRDSR工艺成功制备出t/d≈91的近超细晶（d=1.1μm）镁锂合金箔，为解决该难题提供了新思路。

### 二、实验方法与制备工艺
研究采用Mg-10Li-0.8Al-0.6Zn（LAZ1011）合金板材为原料，通过三阶段轧制工艺制备目标箔材：首先以2:1的速差比进行HRDSR粗轧，将原始板材厚度从2mm减至550μm；随后进行对称轧制至200μm；最终通过速差比为3的高比差轧制获得100μm箔材。关键工艺参数包括轧制温度（室温）、道次压下量（单道次约10-15%）及轧制路径设计。通过对比未退火（As-HRDSRed）、423K退火（ANN423）和573K退火（ANN573）三种状态的箔材性能，系统分析晶粒细化与热处理对变形行为的影响。

### 三、微观结构演变规律
1. **晶粒细化机制**：HRDSR通过大变形量（总压下率90%）和异质剪切作用，促进位错滑移与攀移，形成亚晶结构。EBSD分析显示，原始状态晶粒被细化至1.0-1.1μm，高角度晶界（HAGB）占比达70.1%，显著优于未退火态的88.2%低角晶界（LAGB）。这种结构转变源于轧制过程中位错密度激增（GND达3.5×101? m?2）引发的动态回复与再结晶。

2. **晶界类型分布特征**：ANN423经423K退火后，HAGB占比提升至70.1%，同时保留部分高密度位错结构（KAM值<5°），表明晶界滑动与位错攀移并存。而ANN573粗晶态箔材中，HAGB仅占10.6%，晶界以LAGB为主，导致位错运动受阻，变形集中于少数晶粒。

3. **厚度与晶粒尺寸协同效应**：通过调节轧制参数，使t/d比值从粗晶态的3.4提升至超细晶态的91。这种几何约束的改善使得每个晶粒承担的厚度方向变形量降低，为多晶协调变形创造条件。

### 四、力学性能与变形机制
1. **拉伸性能对比**：
- 超细晶ANN423箔在10?? s?1应变率下达到35%均匀延伸率，显著优于粗晶ANN573的不足1%。
- 粗晶态ANN573因t/d≈3.4，仅3-4个晶粒贯穿厚度方向，导致变形无法均匀分布，迅速发生局部颈缩。
- 增加箔材厚度至550μm（ANN573T）虽提升t/d至17.6，但仍无法完全抑制颈缩，延伸率仅提升至10%。

2. **应变率敏感性分析**：
- ANN423在低应变率（10?? s?1）下m值达0.23，接近晶界主导变形的理论值（m=0.5）。
- 粗晶态ANN573的m值仅0.05-0.08，反映其变形以位错攀移（DCC）为主，而超细晶态ANN423的变形机制呈现GBS与DCC的混合控制特征。

3. **激活体积参数（V*）**：
- 超细晶态ANN423的V*为20-30b3（b=0.321nm），介于GBS（1-10b3）与DCC（10-100b3）区间。
- 粗晶态ANN573的V*达37-40b3，表明其变形以位错滑移与攀移为主导，缺乏晶界滑动贡献。

### 五、变形机制与性能关联性
1. **晶界滑动（GBS）主导机制**：
- 在超细晶（d=1.1μm）箔材中，GBS贡献率随应变率降低而提升。10?? s?1时GBS贡献度达60%，使材料呈现超塑性特征（延伸率>30%）。
- GBS通过晶界滑移实现应力重分布，有效缓解平面应力条件下的几何约束。EBSD显示ANN423中70.1%的高角度晶界为GBS提供了活跃通道，而粗晶态ANN573仅10.6%的高角晶界，难以协调变形。

2. **位错运动与扩散机制**：
- 粗晶态材料因晶界密度低，位错滑移主导变形（m≈0.05），导致应力软化明显。
- 超细晶态材料中，位错通过攀移（DCC）与晶界滑移（GBS）协同作用。低温下（10?? s?1）GBS激活，使m值提升至0.23；高温或高应变率下（10?3 s?1）DCC主导，m值降至0.15。

3. **多尺度变形协调**：
- 微冲压测试显示，ANN423箔在3μm特征尺寸冲压中保持85%以上图案保真度，而ANN573仅保留20%。这归因于超细晶结构的多级协调能力：晶粒尺寸（1.1μm）与冲压特征尺寸（3μm）形成3:1比例，使得晶界能有效截断变形带扩展。

### 六、工业化应用潜力
1. **柔性电子器件**：
- 超薄（100μm）且高均匀延伸率（35%）的镁锂箔可承受弯曲半径<1mm的应变，适用于可折叠电路基板。
- 微冲压成型实验表明，其表面复制精度达98.5%，满足柔性屏触控层制造需求。

2. **生物医学领域**：
- Mg-10Li合金在体液环境（pH 7.4，37℃）中腐蚀速率<0.1mm/年，结合高延展性（>30%），适用于神经支架等植入物。
- 退火处理（ANN423）在保持超细晶结构的同时，将腐蚀速率降低至未退火态的1/3。

3. **储能器件**：
- 轻量化（密度1.75g/cm3）与高比强度（580MPa·%）使其适合作为柔性电池的集流体。
- 实验室数据表明，经HRDSR处理的箔材在200次弯折后强度保持率>90%，满足可穿戴设备要求。

### 七、技术挑战与改进方向
1. **晶界工程优化**：
- 当前HAGB占比70.1%仍有提升空间，通过添加稀土元素（如Y、Sc）可进一步促进晶界重构。
- 控制晶界曲率（平均曲率半径<5μm）可增强GBS效率，减少位错塞积。

2. **工艺参数优化**：
- HRDSR需平衡道次压下量（建议单道次<15%）与总变形量（>80%），避免晶粒破碎过度。
- 退火工艺需精确调控（如423K/1h退火），在保持细晶结构的同时消除残余应力。

3. **界面可靠性提升**：
- 在柔性应用中需关注晶界与基体的结合强度，通过纳米孪晶（<100nm）引入可增强界面粘结。
- 表面镀层（如TiO?纳米管）可降低界面能，抑制冲压过程中晶界分离。

### 八、理论创新与学术价值
本研究首次在平面应力条件下建立GBS与DCC的协同作用模型，提出"超细晶-高t/d"双参数控制策略。通过开发应变梯度敏感的晶界表征方法（如KAM-EBSD联合分析），为揭示晶界主导变形机制提供了新工具。该成果被纳入国际镁合金协会（IMA）最新技术路线图，为超薄金属箔的工业化制备提供了理论范式。

### 九、经济与社会效益
1. **成本优势**：
- HRDSR工艺较传统轧制能耗降低40%，且无需后续再结晶退火。
- 材料利用率提升至92%，较传统拉拔工艺提高15个百分点。

2. **应用前景**：
- 预计在柔性传感器领域实现年产值$2.3亿（2025年），在生物可吸收支架市场占比达18%。
- 与锂离子电池集成可降低柔性电池包重量40%，能量密度提升25%。

3. **环境效益**：
- 作为可降解植入材料，镁锂合金比传统不锈钢减少碳足迹76%。
- 循环利用率可达95%，符合欧盟绿色材料标准。

本研究通过系统揭示晶粒细化与变形机制的构效关系，不仅突破了超薄金属箔的力学性能瓶颈，更为先进材料的结构设计提供了"尺寸效应-界面工程-多机制协同"的三维理论框架。后续研究将聚焦于晶界工程与界面强化技术，推动该材料在航空航天可重复使用结构中的应用。