第一單位！材料最強雙非之一—燕山大學，聯手浙大「國家杰青」，新發Nature Materials！
2025-02-17 17:41:55
作者：詮釋干貨 來源：詮釋干貨
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立方氮化硼（cBN）是一種具有極高硬度和脆性的共價晶體，廣泛應用于超硬材料和切削工具等領域。雖然金屬材料中已廣泛研究了孿生變形這一機制，但在共價材料中，由于其極強的共價鍵和脆性，孿生變形機制尚未得到深入研究。一般而言，孿生變形通常出現在面心立方金屬（fcc金屬）中，但由于共價材料的化學鍵和力學反應與金屬有顯著差異，因此其變形機制仍未明了。盡管cBN相比鉆石更容易發生孿生變形，但相關研究仍然匱乏。基于此，燕山大學聶安民教授、浙江大學王宏濤教授等人合作提出了一種普適的孿生激活策略，不僅適用于cBN，還能廣泛應用于其他脆性共價材料如金剛石、硅碳化物等，為優化共價材料的力學性能提供了新的思路。該研究以“Activating deformation twinning in cubic boron nitride”為題，發表在《Nature Materials》期刊上。聶安民，燕山大學材料科學與工程學院教授、博士生導師，亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室研究人員。長期致力于發展和應用原位高分辨透射電子顯微技術，在原位加載裝置設計、電化學能量存儲及超硬材料構效關系研究中取得了系列創新性成果。截至目前在包括Nature Communication、Nano Letters及Matter等國際期刊上發表SCI論文。獲得河北省自然科學基金杰出青年項目支持，入選了教育部青年長江學者、上海市青年拔尖人才和東方學者特聘教授人才計劃。王宏濤，浙江大學求是特聘教授，浙江大學交叉力學中心執行主任，國家杰出青年基金獲得者，清華大學及哈佛大學博士。本人一直致力于將國家重大需求與基礎研究結合，在納觀及原子尺度探究材料微觀結構與宏觀性能的力學關聯，創新發展微納米力學原位實驗方法、技術以及計算模擬方法。1、本研究首次在立方氮化硼中成功激活了孿生變形，揭示了其在高壓條件下的變形行為，為硬質共價材料的力學性能提升提供了新途徑。2、通過開發新的加載特定孿生標準，研究團隊提出了一種普適的孿生激活策略，能夠在多種脆性共價材料中激活孿生變形，具有廣泛的應用前景。3、使用原子分辨的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM），觀察到cBN的孿生變形過程是通過一個連續過渡機制進行的，顯著不同于金屬中典型的層狀滑移機制，揭示了共價材料在高壓條件下的獨特變形機理。圖1 展示了基于加載特定標準激活變形孿生的實驗過程。圖中首先展示了計算的廣義層錯能（GSFE）曲線，用于評估不同剪切模式的能量障礙。研究團隊計算了幾種常見的剪切模式：1/2 <110>{100}、1/2 <110>{111}和1/6 <112>{111}，并對它們的能量峰值（γus）進行對比，揭示了變形過程中的能量障礙。通過這些分析發現，1/6 <112>{111}剪切模式的能量障礙相對較低，因此在特定加載方向下，這一模式更容易激活，尤其是在<100>方向的加載條件下。圖中還展示了孿生傾向因子（ft）的計算結果，它根據加載方向來預測變形孿生的傾向。當ft值大于1時，表示1/6 <112>{111}模式優先激活孿生。該因子為預測材料在不同加載方向下的變形行為提供了理論依據。最后，圖中的TEM圖像展示了在<100>方向下，cBN納米柱經過單軸壓縮后變形孿生的實際情況，圖像清晰地顯示了孿生層的形成，并通過選區電子衍射（SAED）驗證了其孿生特征，進一步證明了此加載特定孿生標準的有效性。圖2 變形引起的立方氮化硼（cBN）亞微米柱力學性能增強分析圖2展示了在<100>、<110>、和<111>方向的cBN柱在壓縮過程中各自的應力響應。<100>方向的納米柱展現了顯著的塑性變形，最終達到約55%的應變，而<111>方向和<110>方向的柱子在壓縮過程中則表現出較為有限的塑性，分別達到28%和19.5%的應變。這些差異顯示出不同晶體方向對變形行為的顯著影響。研究人員還進一步分析了這些柱子在不同方向上的力學性能，包括其強度和應變。圖中比較了這些方向的極限強度，<100>方向的柱子展現出最高的壓縮強度（92 GPa），而<111>方向則為58 GPa，<110>方向為40 GPa。圖中揭示的力學行為表明，<100>方向的cBN柱在變形過程中成功激活了孿生變形，進一步提高了材料的強度和塑性，從而為cBN材料在高強度應用中的潛力提供了支持。圖3 共價立方氮化硼（cBN）中的連續過渡介導變形孿生機制圖3 展示了在原子分辨率下觀察到的cBN的變形孿生過程。圖像顯示了變形孿生過程中從基體到孿生區域的原子位移。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM），研究團隊清晰地捕捉到了孿生前后的原子排列變化。圖中原子之間的間距變化，揭示了在孿生區域內，原子發生了大規模的平移，形成了具有新晶體取向的孿生層。通過進一步分析發現，cBN的孿生變形并非通過經典的層狀滑移機制進行，而是通過一個連續的過渡機制進行的。這一發現顯著區別于金屬材料中常見的層狀滑移機制，說明在共價材料中，變形孿生的原子重排過程可能涉及更為復雜的原子遷移和結構轉換。圖中的連續過渡機制首次在cBN中得到驗證，提供了對變形孿生過程的新理解，并為其他硬質共價材料的變形機制提供了新的研究方向。圖4 展示了基于密度泛函理論（DFT）與分子動力學模擬（MD）結果，模擬了cBN的連續過渡孿生變形機制。圖中通過模擬得到的結果顯示，cBN的變形孿生過程是通過一個連續的原子位移過程進行的，而不同于金屬材料那樣依賴于分段滑移的部分位錯。模擬圖中的紅線代表孿生邊界的位置，隨著外部應力的增加，孿生區域逐漸擴大，原子從基體向孿生區域平移。該過程揭示了原子在滑移面上的整體位移，而不是局部的位錯滑移。這個模擬結果與實驗觀察到的現象一致，證明了cBN中變形孿生的連續過渡機制，并進一步支持了該機制在超硬材料中的普遍性。圖中還展示了通過DFT-MD模擬的應力-應變曲線，進一步驗證了該變形機制對材料力學性能的影響。模擬結果為深入理解變形孿生機制提供了重要的理論支持，并為材料的設計和優化提供了新的思路。本研究通過激活立方氮化硼（cBN）中的變形孿生，突破了傳統硬質材料在力學性能上的瓶頸。研究表明，通過特定加載方向的孿生標準，可以在cBN中成功激活變形孿生現象，從而顯著提升其壓縮強度和塑性變形能力。尤其在<100>方向，cBN材料的壓縮強度達到了92 GPa，并且表現出高達55%的應變，這使得cBN在高強度應用中的潛力得到了充分體現。通過分子動力學模擬和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察，研究進一步揭示了cBN中變形孿生的連續過渡機制，提出了與金屬材料不同的獨特變形過程。基于加載特定孿生標準的變形孿生激活方法有望推廣至其他脆性共價材料，如金剛石、硅碳化物等，為超硬材料的設計與性能提升提供新的路徑。Activating deformation twinning in cubic boron nitride, Nature Materials, https://doi.org/10.1038/s41563-024-02111-8.
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