立方氮化硼（cBN）是一種具有極高硬度和脆性的共價(jià)晶體，廣泛應(yīng)用于超硬材料和切削工具等領(lǐng)域。雖然金屬材料中已廣泛研究了孿生變形這一機(jī)制，但在共價(jià)材料中，由于其極強(qiáng)的共價(jià)鍵和脆性，孿生變形機(jī)制尚未得到深入研究。一般而言，孿生變形通常出現(xiàn)在面心立方金屬（fcc金屬）中，但由于共價(jià)材料的化學(xué)鍵和力學(xué)反應(yīng)與金屬有顯著差異，因此其變形機(jī)制仍未明了。盡管cBN相比鉆石更容易發(fā)生孿生變形，但相關(guān)研究仍然匱乏。
基于此，燕山大學(xué)聶安民教授、浙江大學(xué)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(yīng)用于其他脆性共價(jià)材料如金剛石、硅碳化物等，為優(yōu)化共價(jià)材料的力學(xué)性能提供了新的思路。該研究以“Activating deformation twinning in cubic boron nitride”為題，發(fā)表在《Nature Materials》期刊上。
聶安民，燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員。長(zhǎng)期致力于發(fā)展和應(yīng)用原位高分辨透射電子顯微技術(shù)，在原位加載裝置設(shè)計(jì)、電化學(xué)能量存儲(chǔ)及超硬材料構(gòu)效關(guān)系研究中取得了系列創(chuàng)新性成果。截至目前在包括Nature Communication、Nano Letters及Matter等國(guó)際期刊上發(fā)表SCI論文。獲得河北省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目支持，入選了教育部青年長(zhǎng)江學(xué)者、上海市青年拔尖人才和東方學(xué)者特聘教授人才計(jì)劃。
王宏濤，浙江大學(xué)求是特聘教授，浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心執(zhí)行主任，國(guó)家杰出青年基金獲得者，清華大學(xué)及哈佛大學(xué)博士。本人一直致力于將國(guó)家重大需求與基礎(chǔ)研究結(jié)合，在納觀及原子尺度探究材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的力學(xué)關(guān)聯(lián)，創(chuàng)新發(fā)展微納米力學(xué)原位實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)以及計(jì)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(zhì)共價(jià)材料的力學(xué)性能提升提供了新途徑。
2、通過(guò)開發(fā)新的加載特定孿生標(biāo)準(zhǔn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種普適的孿生激活策略，能夠在多種脆性共價(jià)材料中激活孿生變形，具有廣泛的應(yīng)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(guò)程是通過(guò)一個(gè)連續(xù)過(guò)渡機(jī)制進(jìn)行的，顯著不同于金屬中典型的層狀滑移機(jī)制，揭示了共價(jià)材料在高壓條件下的獨(dú)特變形機(jī)理。
圖1 展示了基于加載特定標(biāo)準(zhǔn)激活變形孿生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。圖中首先展示了計(jì)算的廣義層錯(cuò)能（GSFE）曲線，用于評(píng)估不同剪切模式的能量障礙。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)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(duì)它們的能量峰值（γus）進(jìn)行對(duì)比，揭示了變形過(guò)程中的能量障礙。通過(guò)這些分析發(fā)現(xiàn)，1/6 <112>{111}剪切模式的能量障礙相對(duì)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(jì)算結(jié)果，它根據(jù)加載方向來(lái)預(yù)測(cè)變形孿生的傾向。當(dāng)ft值大于1時(shí)，表示1/6 <112>{111}模式優(yōu)先激活孿生。該因子為預(yù)測(cè)材料在不同加載方向下的變形行為提供了理論依據(jù)。最后，圖中的TEM圖像展示了在<100>方向下，cBN納米柱經(jīng)過(guò)單軸壓縮后變形孿生的實(shí)際情況，圖像清晰地顯示了孿生層的形成，并通過(guò)選區(qū)電子衍射（SAED）驗(yàn)證了其孿生特征，進(jìn)一步證明了此加載特定孿生標(biāo)準(zhǔn)的有效性。
圖2 變形引起的立方氮化硼（cBN）亞微米柱力學(xué)性能增強(qiáng)分析
圖2展示了在<100>、<110>、和<111>方向的cBN柱在壓縮過(guò)程中各自的應(yīng)力響應(yīng)。<100>方向的納米柱展現(xiàn)了顯著的塑性變形，最終達(dá)到約55%的應(yīng)變，而<111>方向和<110>方向的柱子在壓縮過(guò)程中則表現(xiàn)出較為有限的塑性，分別達(dá)到28%和19.5%的應(yīng)變。這些差異顯示出不同晶體方向?qū)ψ冃涡袨榈娘@著影響。
研究人員還進(jìn)一步分析了這些柱子在不同方向上的力學(xué)性能，包括其強(qiáng)度和應(yīng)變。圖中比較了這些方向的極限強(qiáng)度，<100>方向的柱子展現(xiàn)出最高的壓縮強(qiáng)度（92 GPa），而<111>方向則為58 GPa，<110>方向?yàn)?0 GPa。圖中揭示的力學(xué)行為表明，<100>方向的cBN柱在變形過(guò)程中成功激活了孿生變形，進(jìn)一步提高了材料的強(qiáng)度和塑性，從而為cBN材料在高強(qiáng)度應(yīng)用中的潛力提供了支持。
圖3 共價(jià)立方氮化硼（cBN）中的連續(xù)過(guò)渡介導(dǎo)變形孿生機(jī)制
圖3 展示了在原子分辨率下觀察到的cBN的變形孿生過(guò)程。圖像顯示了變形孿生過(guò)程中從基體到孿生區(qū)域的原子位移。通過(guò)高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM），研究團(tuán)隊(duì)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(qū)域內(nèi)，原子發(fā)生了大規(guī)模的平移，形成了具有新晶體取向的孿生層。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，cBN的孿生變形并非通過(guò)經(jīng)典的層狀滑移機(jī)制進(jìn)行，而是通過(guò)一個(gè)連續(xù)的過(guò)渡機(jī)制進(jìn)行的。這一發(fā)現(xiàn)顯著區(qū)別于金屬材料中常見的層狀滑移機(jī)制，說(shuō)明在共價(jià)材料中，變形孿生的原子重排過(guò)程可能涉及更為復(fù)雜的原子遷移和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。圖中的連續(xù)過(guò)渡機(jī)制首次在cBN中得到驗(yàn)證，提供了對(duì)變形孿生過(guò)程的新理解，并為其他硬質(zhì)共價(jià)材料的變形機(jī)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(dòng)力學(xué)模擬（MD）結(jié)果，模擬了cBN的連續(xù)過(guò)渡孿生變形機(jī)制。圖中通過(guò)模擬得到的結(jié)果顯示，cBN的變形孿生過(guò)程是通過(guò)一個(gè)連續(xù)的原子位移過(guò)程進(jìn)行的，而不同于金屬材料那樣依賴于分段滑移的部分位錯(cuò)。模擬圖中的紅線代表孿生邊界的位置，隨著外部應(yīng)力的增加，孿生區(qū)域逐漸擴(kuò)大，原子從基體向?qū)\生區(qū)域平移。該過(guò)程揭示了原子在滑移面上的整體位移，而不是局部的位錯(cuò)滑移。這個(gè)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象一致，證明了cBN中變形孿生的連續(xù)過(guò)渡機(jī)制，并進(jìn)一步支持了該機(jī)制在超硬材料中的普遍性。圖中還展示了通過(guò)DFT-MD模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步驗(yàn)證了該變形機(jī)制對(duì)材料力學(xué)性能的影響。模擬結(jié)果為深入理解變形孿生機(jī)制提供了重要的理論支持，并為材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了新的思路。
本研究通過(guò)激活立方氮化硼（cBN）中的變形孿生，突破了傳統(tǒng)硬質(zhì)材料在力學(xué)性能上的瓶頸。研究表明，通過(guò)特定加載方向的孿生標(biāo)準(zhǔn)，可以在cBN中成功激活變形孿生現(xiàn)象，從而顯著提升其壓縮強(qiáng)度和塑性變形能力。尤其在<100>方向，cBN材料的壓縮強(qiáng)度達(dá)到了92 GPa，并且表現(xiàn)出高達(dá)55%的應(yīng)變，這使得cBN在高強(qiáng)度應(yīng)用中的潛力得到了充分體現(xiàn)。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察，研究進(jìn)一步揭示了cBN中變形孿生的連續(xù)過(guò)渡機(jī)制，提出了與金屬材料不同的獨(dú)特變形過(guò)程?；诩虞d特定孿生標(biāo)準(zhǔn)的變形孿生激活方法有望推廣至其他脆性共價(jià)材料，如金剛石、硅碳化物等，為超硬材料的設(shè)計(jì)與性能提升提供新的路徑。
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