微/纳机电系统和小型化器件的广泛应用促进了对微纳米尺寸材料塑性变形行为的研究。已有的研究表明，微纳米尺寸金属材料的力学性能与尺寸密切相关。例如，材料强度与尺寸之间呈现出“越小越强”的关系；或在样品尺寸进一步减小的情况下，呈现“越小越弱”。从根本上说，这种强烈的尺寸依赖性源于两种基本的塑性机制之间的相互作用，即位移型塑性和扩散型塑性，这已经在利用自支撑柱状样品（样品与大块基体材料相连）对小尺度塑性变形机制的实验研究中被证明。在这些研究中，无论自支撑柱状样品采用何种机制变形，原子通常只在样品内部交换位置，局部样品的总体积/质量保持不变。然而西安交通大学单智伟教授研究团队的实验结果表明，这一结论可能并不适用于在高温和低应变率下被压缩的亚微米自支撑铝柱。相反，其可以在长度不断缩短的情况下保持总体直径和形状不变。这种明显的局部体积/质量不守恒是由很少报道的界面长距离扩散介导的塑性变形造成的。

图1铝柱压缩变形随温度的变化

利用原位纳米力学测试技术对亚微米尺度自支撑铝柱在不同温度下以相似的应变速率（∼10^-3s^-1）进行了压缩。结果表明（如图1所示），铝柱在较低温度下呈现位错滑移主导变形特征，随着温度逐渐升高，塑性变形变得更加平滑和连续，同时屈服或流变应力减小，短距离扩散型塑性特征逐渐变得明显（蘑菇状顶端）。而当温度达到400℃，铝柱的压缩工程应力-应变曲线非常平滑且连续，没有明显的屈服点。在更大视场下对压缩前后的柱子形貌进行对比（如图2所示），发现50%压缩应变并没有导致剪切、蘑菇状生长和柱子直径的均匀增加，这表明压缩过程中局部体积不守恒（若体积守恒，高度降低51%时，柱子直径应增加41%），柱子顶部产生的氧化壳褶皱表明其内部的金属原子已扩散至别处。这意味着此时柱子的塑性变形机制与传统的位移型塑性机制和短距离扩散型塑性机制不同。

图2铝柱在400℃下低应变速率压缩前后的形貌对比

由于铝在表面/界面/晶界的扩散率比给定温度下体扩散率至少高4个数量级，因此原子将优先沿界面扩散，并在某处沉积。通过对圆柱直径的精确测量发现，直径增大不超过一个原子层厚度，由此估算界面原子的扩散范围大于4-12um，是圆柱直径的几十上百倍。如此长的扩散距离与众所周知的短距离扩散型塑性中的仅限于柱体内的扩散范围形成对比，因此是一种由长距离界面扩散主导的塑性变形新机制。

基于上述发现，具有氧化壳的亚微米自支撑铝柱的变形行为可以总结如下。随着试验温度升高或应变速率降低，样品变形可依次由随机位移型塑性、扩散-位移型塑性、短程扩散型塑性和长程扩散型塑性四种塑性机制主导（如图3所示）。位错滑移或孪晶介导的位移型塑性通常会产生滑移台阶或变形带，导致微米级样品的变形可控性较差。对于耦合的扩散-位移型塑性（图3b），扩散变形发生在相对较低的应力水平下，随后在应力集中部位激活位移型塑性。变形温度的进一步升高或应变速率的降低可以导致完全扩散型塑性变形（图3c和图3d），其具有两种因扩散距离而异的形式。在相对较低的测试温度或较高的应变率下，在界面中流动的原子被堵塞在接触区附近的一个小体积内，产生内部压力，导致氧化层膨胀形成蘑菇形状（图3c）。然而，在相对较高的测试温度或较低的应变率下，由于扩散率呈指数级升高，原子可以缓慢扩散到更长的距离，从而以最小的能量消耗寻找容易重新沉积的位置。

图3变形形状随温度和应变率变化由位移型塑性介导向长距离扩散型塑性介导的演化示意图

上述发现表明，微纳米尺寸的金属在适当的变形速率和温度下，可以拥有与半固态金属相媲美的优异变形能力。长距离扩散特性可用于加强加载点附近（至少在微米范围内）的金属/氧化物界面，或在不明显改变表面形态或表面尺寸的情况下调整柱子的长度，这在光学纳米柱阵列等器件上具有重要的潜在应用价值。

相关研究成果以“Long-distance interface diffusion induced non-volume-conserved deformation in self-supported submicron-sized aluminum pillars”为题发表在《Acta Materialia》上（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119092）。西安交通大学的解德刚副教授为论文的第一作者和通讯作者，单智伟教授为论文的共同通讯作者。参与该工作的还有西安交通大学的硕士毕业生张荣荣（现法国里昂国立应用科学学院在读博士研究生），博士研究生代晓涵、聂志宇，硕士毕业生王鑫垚，西安交通大学的马恩教授，美国麻省理工学院的李巨教授。该研究得到了中国国家自然科学基金（52031011，51971169）、陕西省博士后科学基金（2017JQ5110）及美国国家自然基金（CBET-2034902）的资助。

近年来，金属材料强度国家重点实验室在微纳尺度铝和铜的高温变形机制方面取得了一系列进展，详见：Acta Mater. 188,570-578 (2020)；Nature Communications. 10,4478 (2019)；Acta Mater. 232,117944 (2022)。