晶界三叉結(jié)（Triple Junctions, TJs）作為多晶材料中連接相鄰晶界的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，在熱機(jī)械刺激下主導(dǎo)著整個(gè)晶界網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同演化。TJs因其獨(dú)特的物理特性對(duì)多晶材料的動(dòng)力學(xué)行為具有深遠(yuǎn)影響。尤其在塑性變形、晶粒生長和再結(jié)晶過程中，TJs通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變協(xié)調(diào)晶界網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重組，其拖曳效應(yīng)顯著制約相鄰晶界的遷移行為，從而在跨尺度微結(jié)構(gòu)演化中扮演核心角色。盡管晶界動(dòng)力學(xué)研究已較為成熟，但TJs的復(fù)雜幾何構(gòu)型和原子尺度實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，使得對(duì)其動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解遠(yuǎn)未完善。

當(dāng)前對(duì)TJ動(dòng)力學(xué)的認(rèn)知存在顯著空白。傳統(tǒng)研究多聚焦于對(duì)稱TJ在退火條件下的穩(wěn)態(tài)遷移現(xiàn)象，而實(shí)際多晶材料中的TJ往往呈現(xiàn)非對(duì)稱或非共軸結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力學(xué)行為涉及核心結(jié)構(gòu)的顯著轉(zhuǎn)變，現(xiàn)有理論難以統(tǒng)一解釋。雖然基于位錯(cuò)或失配位錯(cuò)的模型被提出，但忽略了TJ過剩體積的動(dòng)態(tài)變化對(duì)動(dòng)力學(xué)過程的調(diào)控作用，導(dǎo)致無法全面描述TJ在塑性變形中如何協(xié)調(diào)晶界網(wǎng)絡(luò)演化。此外，TJ與相鄰晶界的缺陷交互機(jī)制及其對(duì)多晶材料塑性的影響尚不明確，缺乏原子尺度的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，這些知識(shí)缺口嚴(yán)重制約了通過TJ/晶界工程優(yōu)化材料性能的潛力。

針對(duì)上述晶界三叉結(jié)（TJ）動(dòng)力學(xué)的研究問題，浙江大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技原位TEM開展了系統(tǒng)性研究，他們通過原位納米加工-納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)，在Au和Pt多晶材料中直接觀測(cè)到TJ動(dòng)力學(xué)的原子機(jī)制，并提出了基于失配位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一理論框架，相關(guān)成果以“Triple Junction Kinetics: Unified Atomic Mechanism and Coordinated Grain Boundary Network Evolution”為題發(fā)表在《SSRN》上。

本研究通過先進(jìn)的原位納米加工-納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)，結(jié)合TEM觀測(cè)，系統(tǒng)揭示了金和鉑多晶材料中TJ的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其對(duì)晶界（GB）網(wǎng)絡(luò)協(xié)同演化的調(diào)控作用。實(shí)驗(yàn)直接捕捉到TJ在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為，發(fā)現(xiàn)其演化過程主要由相鄰晶界上的失配位錯(cuò)活動(dòng)主導(dǎo)。這些失配位錯(cuò)通過保守或非保守的方式在TJ附近相互作用，進(jìn)而觸發(fā)TJ的遷移、形態(tài)轉(zhuǎn)變或核心重構(gòu)。研究明確了TJ動(dòng)力學(xué)的兩種基本模式：保守模式要求失配位錯(cuò)的Burgers矢量和臺(tái)階高度嚴(yán)格守恒；而非保守模式則因守恒條件失效導(dǎo)致TJ核心結(jié)構(gòu)的顯著轉(zhuǎn)變，并伴隨過剩體積的重新分布。

圖 通過鄰近晶界的失配位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)TJ遷移

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，TJ的動(dòng)力學(xué)行為強(qiáng)烈依賴于失配位錯(cuò)在相鄰晶界間的傳輸效率。當(dāng)失配位錯(cuò)能夠跨晶界協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí)，TJ表現(xiàn)為保守遷移；而當(dāng)傳輸受阻時(shí)，失配位錯(cuò)在TJ處堆積并誘發(fā)局部應(yīng)變集中，進(jìn)而激活非保守模式。例如，低Σ晶界（如Σ3）構(gòu)成的TJ因失配位錯(cuò)反應(yīng)速率低而傾向于保守遷移，而非共軸晶界組成的TJ則因Burgers矢量方向不匹配（如[110]傾斜晶界與[001]/[110]混合晶界相交）頻繁發(fā)生自重構(gòu)。這種重構(gòu)行為通過周期性形成/塌縮的無序原子區(qū)釋放應(yīng)變，顯著增強(qiáng)了TJ的變形兼容性。

圖 具有橫向位移的TJ遷移的一般形式

研究還建立了TJ動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一框架，將晶界塑性、晶內(nèi)塑性和TJ過剩體積的耦合作用納入理論模型。通過擴(kuò)展Burgers矢量守恒條件（引入過剩體積函數(shù)f(V)），量化了不同模式間的轉(zhuǎn)變機(jī)制。例如，TJ過剩體積的擴(kuò)張會(huì)降低失配位錯(cuò)形核能壘，促進(jìn)缺陷發(fā)射；而其收縮則可能引發(fā)晶界旋轉(zhuǎn)或晶粒形核。這一框架揭示了TJ在協(xié)調(diào)多晶材料塑性中的雙重角色：保守模式通過拖曳效應(yīng)調(diào)控晶界網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而非保守模式則通過生成新晶界重塑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖 失配位錯(cuò)介導(dǎo)的TJ形貌轉(zhuǎn)變

最后研究探討了TJ動(dòng)力學(xué)對(duì)多晶材料宏觀性能的啟示。保守與非保守模式的交替轉(zhuǎn)換（如Y-T形態(tài)轉(zhuǎn)變→自重構(gòu)→新晶粒形核）顯著提升了晶界網(wǎng)絡(luò)的變形柔性和可持續(xù)塑性。例如，TJ自重構(gòu)不僅緩解了局部應(yīng)變集中，還為孿晶或再結(jié)晶提供了形核位點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)為通過晶界/三叉結(jié)工程優(yōu)化材料性能提供了原子尺度的理論依據(jù)，并為多尺度模擬中TJ本構(gòu)關(guān)系的構(gòu)建奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖 失配位錯(cuò)介導(dǎo)的TJ動(dòng)力學(xué)非保守模式

澤攸科技作為中國本土的精密儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的供應(yīng)商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續(xù)為國內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。下圖為該研究成果中用到的澤攸科技原位TEM產(chǎn)品：

FEI雙傾探針桿