中国科学院金属研究所杜奎

dasaochu

杜奎，男， 1971 年 12 月生。博士、 中国科学院金属研究所研究员 、博士生导师 。1993 年北京科技大学材料科学与工程系毕业。 1993-1999 年在中国科学院金属研究所从事电子显微学研究， 1996 和 1999 年获得工学硕士和博士学位。 1999-2003 年，在德国 Max-Planck 金属研究所进行定量电子显微学方向的博士后研究。 2003-2006 年，在美国 Case Western Reserve University 担任 Senior Research Associate ，进行晶体间的择优取向关系和材料原子尺度的电子显微学研究。 2006 年起，在中国科学院金属研究所任副研究员、研究员、博士生导师。曾获中国科学院刘永龄奖一等奖，金属研究所师昌绪奖一等奖，宝钢教育奖学金优秀学生奖。


杜奎
性　别        男        最高学历        博士研究生
职　称        研究员        
专家类别        博士生导师
部　门        沈阳材料科学国家（联合）实验室 固体原子像研究部
通讯地址        辽宁省沈阳市沈河区文化路72号，中国科学院金属研究所，固体原子像研究部
邮政编码        110016        电子邮件        kuidu@imr.ac.cn
电　话        +86-24-83970725        
传　真        +86-24-23891320
简历：
　　2006--今　　中国科学院金属研究所 科研人员
　　2003--2006　美国Case Western Reserve大学 Senior Research Associate
　　1999--2003　德国马普金属研究所 Research Fellow
　　1996--1999　中国科学院金属研究所 博士
　　1993--1996　中国科学院金属研究所 硕士
研究领域：
　　电子显微学；材料结构演化及其对性能的作用机理：
　　[1] 高温合金中位错结构演化的三维电子层析研究
　　[2] 高温氧化物陶瓷的形变和相变过程中的位错机制研究
　　[3] 航空高性能铝合金材料的基础研究
　　[4] 工程合金显微结构的电子层析研究
　　[5] 材料界面的亚埃尺度结构和材料性能
　　[6] 关键航空合金材料中动态应变时效的多尺度关联实验与机理研究
承担科研项目情况：
　　体心立方（bcc）结构的金属和合金被人类广泛地应用在生产和生活当中。它们最主要的优点是在很宽的温度范围内和很大的应变状态下都表现出很高的强度，因此体心立方金属的变形行为一直以来都是物理学家和材料学家所关注的问题。但是体心立方金属的微观变形机制比较复杂，到目前为止人们对它的了解还很不透彻。我们通过原位透射电镜观察和定量应变分析，结合分子动力学计算，揭示了金属Mo在应力加载下由<001>取向的bcc晶粒通过面心立方结构（fcc）的中间相转变到<111>取向的bcc晶粒，实现了15.4%的拉伸应变。这一研究揭示了单质金属在高应力条件下的应力诱发相变变形机制。这说明了即使是bcc结构非常稳定的难熔金属Mo，当内部产生局部应力集中，而其它变形方式又受到抑制时，也会产生结构相变。在塑性变形时，应力诱发相变可以部分地释放材料内部的应力集中，从而协调材料的变形，阻止微裂纹的萌生和扩展，最终为改善体心立方金属的塑性做出贡献。此外，bcc1→fcc→bcc2相变所对应的54.7晶格转动也为金属变形时的晶粒扭转提供了一条新途径。
　　金属间化合物虽然具有优异的高温力学性能，适合用作耐高温材料，但是它们在室温下的脆性严重地阻碍了其工业应用。这类材料要实现塑性变形，往往需要加热到很高的温度（脆-韧转变温度以上），位错才可能被激活。由于金属间化合物具有复杂和特殊的结构，位错在其中的运动不像在金属中那样简单，它们的滑移往往需要涉及几个甚至几十个原子的协调运动，而不仅仅是在某个固定的滑移面上简单的剪切过程。这样，位错滑移的区域也由一个滑移面扩展为一个滑移区域。这样复杂的过程需要通过高温的热激活降低原子间的键合，从而使得原子的协调运动成为可能。但是，目前还没有足够的实验证据显示这个复杂滑移过程的具体步骤，以解释热激活是如何促进位错运动的。我们利用球差校正电镜发现在Laves相金属间化合物中，位错通过反复地在上下两个不同的滑移面间来回跳跃，从而以波浪形状的路径向前滑移。这种位错滑移机制的产生归结于Laves相中不同原子层之间结合力的不同。这种特殊的变形机制将有利于解释金属间化合物在高温变形时存在脆-韧转变的特性。
　　与块体金属材料的Frank-Read位错源主导的形变机制截然不同的是，10纳米以下的金属晶体的塑性变形是由表面台阶附近不连续地形核所产生的不全位错所主导的；定量原位高分辨像分析直接检测到位错表面形核所引起的表面局部应力的释放。对晶体加载的方向和晶体的表面形态会影响小尺度金属的变形机制，从而决定晶体的形变是位错运动还是孪晶机制。这一工作为定量地观察位错和孪晶形核时晶格应力的动态变化并确定缺陷形核的局域临界应力提供了一条新的途径，本工作中所使用的晶格应变分析方法促进了定量原位电镜观察的进展。
代表论著：
　　[1] S. Wang, H. Wang, K. Du*, W. Zhang, M. Sui, S. Mao, “Deformation-induced structural transition in body-centred cubic molybdenum”, Nature Communications 5 (2014) 3433.
　　[2] M. Song, K. Du*, S. Wen, Z. Nie, H. Ye, “In situ electron microscopy investigation of void healing in an Al-Mg-Er alloy at a low temperature”, Acta Materialia 69 (2014) 236.
　　[3] M. Song, K. Du*, Z. Huang, H. Huang, Z. Nie, H. Ye, “Deformation induced dissolution and growth of precipitates in an Al-Mg-Er alloy during high-cycle fatigues”, Acta Materialia 81 (2014) 409.
　　[4] N. Lu, K. Du*, L. Lu, H, Ye, “Motion of 1/3 < 111 > dislocations on Sigma 3 {112} twin boundaries in nanotwinned copper”, Journal of Applied Physics 115 (2014) 024310.
　　[5] Y. Xu, K. Du*, C. Cui, H. Ye, “Deformation twinning with zero macroscopic strain in a coarse-grained Ni-Co-based superalloy”, Scripta Materialia 77 (2014) 71.
　　[6] Y. Xu, D. Qi, K. Du*, C. Cui, H. Ye, “Stacking fault effects on dynamic strain aging in a Ni–Co-based superalloy”, Scripta Materialia, 87 (2014) 37.
　　[7] J. Deng, K. Du*, B. Wu, M. Sui, “Nanometer to micrometer scaled inhomogeneous etching of bulk metallic glasses by ion sputtering”, Intermetallics 34 (2013) 75.
　　[8] P. Yan, K. Du*, M. Sui, “Pyramidal dislocation induced strain relaxation in hexagonal structured InGaN/AlGaN/GaN multilayer”, Journal of Applied Physics 112 (2012) 083502.
　　[9] J. Deng, K. Du*, M. Sui, “Medium range order of bulk metallic glasses determined by variable resolution fluctuation electron microscopy”, Micron 43 (2012) 827.
　　[10] W. Zhang, R. Yu, K. Du*, Z. Cheng, J. Zhu, H. Ye, “Undulating slip in Laves phase and implications for deformation in brittle materials”, Physical Review Letters 106 (2011) 165505.
　　[11] K. Du, F. Ernst, M. Pelsozy, J. Barthel, K. Tillmann, “Expansion of interatomic distances in platinum catalyst nanoparticles”, Acta Materialia 58 (2010) 836.
　　[12] P. Yan, K. Du*, M. Sui, “Alpha- to gamma-Al2O3 martensitic transformation induced by pulsed laser irradiation”, Acta Materialia 58 (2010) 3867.
　　[13] H. Zheng, A. Cao, C. Weinberger, J. Huang, K. Du, J. Wang, Y. Ma, Y. Xia, S. Mao, “Discrete plasticity in sub-10-nm-sized gold crystals”, Nature Communications 1 (2010) 144.
近期国际国内会议报告及任职等：
　　2015.1.　8th ASEAN Microscopy Conference，特邀报告“Microstructural evolution in an Al-Mg-Er alloy during fatigue deformation”。
　　2014.10.　IUMRS-ICYRAM 2014，特邀报告“Deformation-induced structural transition in body-centered cubic metals”。
　　2014.10.　全国电子显微学学术年会，特邀报告“体心立方金属Mo中变形诱发相变的原位观察和定量应变分析”。
　　2014.9.　18th International Microscopy Congress，口头报告“Healing kinetics of voids in an Al-Mg-Er alloy investigated by in situ transmission electron microscopy and electron tomography”。
　　2013.10.　全国电子显微学学术年会，特邀报告“纳米尺度颗粒和析出相应变的定量电子显微学分析”。
　　2013.9.　IUMRS-ICAM 2013，特邀报告“Direct measurement of precipitate induced strain in aluminum alloys”。
　　2012.9.　全国电子显微学学术年会，特邀报告“金属间化合物中的缺陷结构演化”。
　　2011.11.　第9届海峡两岸显微镜学术研讨会，特邀报告“Quantitative HRTEM on defects in nanoscaled materials ”。
　　2011.10.　全国材料科学电子显微学会议，特邀报告“复杂结构材料中的位错行为”。
　　2011.9.　中国物理学会2011年秋季学术会议，特邀报告“纳米尺度应变的定量电子显微学分析”。
　　2010.9.　17th International Microscopy Congress ，口头报告“Strain analysis on platinum nanoparticles with aberration-corrected transmission electron microscopy”。

tinengyue

金属晶界结构的尺寸效应研究取得新进展

晶界是晶体材料中重要的缺陷之一。人们普遍认为在块体晶体材料中小角晶界（取向差小于15°）由位错墙构成，而大角晶界（取向差大于15°）则以结构单元而不是位错的形式存在。随着晶体材料的尺寸逐渐减小，大量存在的表面对材料的结构和变形行为会产生显著影响。

　　近日，中国科学院金属研究所固体原子像研究部杜奎研究组与先进炭材料研究部李峰研究员、非平衡金属材料研究部金海军研究员等人合作，利用原位像差校正高分辨透射电镜、旋进电子衍射和定量应变分析，在尺寸小于10纳米的金纳米线中发现晶界结构存在显著的尺寸效应，该尺寸效应能有效地提高纳米线的力学及导电稳定性。这一研究揭示了超纳尺度金属材料中晶界结构的尺寸效应及行为。

　　研究结果表明，当纳米线直径大于10纳米时，取向差小于15°的晶界以位错型(DGB)形式存在，而取向差大于15°的晶界以结构单元型(SGB)存在，与块体材料相似。随着纳米线直径减小到10纳米以下， 位错型与结构单元型晶界的临界取向差将大于15°并且随纳米线直径减小而增大。当纳米线直径为2纳米时，取向差为28.6°的大角晶界仍然以位错型的形式存在。定量应变分析发现，位错型晶界的周围存在明显的弹性应变场而结构单元型晶界周围没有，这使得位错型晶界的宽度明显宽于结构单元型,这个特征可以用来区别这两种晶界。原位像差校正电子显微学研究表明，尺寸效应形成的位错型晶界可以在外加应力作用下以位错墙滑移的方式进行晶界迁移，从而避免了传统大角晶界的晶界滑移,这有效地提高了纳米线的力学稳定性。原位透射电镜形变和电学测量结果表明，纳米线中位错型晶界导致的电阻增加远低于结构单元型晶界，这也提高了纳米线的导电稳定性。这一原子尺度的原位定量电子显微学研究揭示了超纳尺度小尺寸金属材料中晶界结构的尺寸效应，这一效应同时提高了材料的力学及电学稳定性，因而可能为微电子互连以及纳米器件的设计提供新的思路。

　　该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目的资助。

　　相关论文近日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

　　全文链接

图1 (a-d) 位错型晶界(DGB)和(e-h)结构单元型晶界(SGB)的像差校正电子显微像及定量应变分析。

图2 两种类型晶界随纳米线尺寸及晶界取向差变化的统计分布。

图3 位错型到结构单元型再到位错型晶界结构的动态演化过程及其定量应变分析。