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金屬頂刊《Acta》：激活碳化硼局部位錯活性！大幅降低陶瓷脆性！

信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2022-11-04 08:38:21 | 瀏覽量：661256

摘要：

導(dǎo)讀：位錯滑移、變形孿生、相變和快速斷裂是適應(yīng)材料機械載荷的能量耗散機制。位錯在能量上的不利形成歸因于超硬陶瓷，特別是碳化硼，易于開裂和低的損傷容限。本文通過量子力學模擬和電鏡分析，對位錯滑移激活的機理進行了解釋，結(jié)果表明，在二十面體旋轉(zhuǎn)和鏈鍵斷裂和重…

導(dǎo)讀：位錯滑移、變形孿生、相變和快速斷裂是適應(yīng)材料機械載荷的能量耗散機制。位錯在能量上的不利形成歸因于超硬陶瓷，特別是碳化硼，易于開裂和低的損傷容限。本文通過量子力學模擬和電鏡分析，對位錯滑移激活的機理進行了解釋，結(jié)果表明，在二十面體旋轉(zhuǎn)和鏈鍵斷裂和重組的促進下，應(yīng)變能通過基底二十面體滑移釋放。從這項工作中獲得的新見解表明，原子摻雜可能是調(diào)整碳化硼變形機制的一種有效策略，這為限制非晶化和突變失效提供了重要的潛力，并為提高脆性陶瓷的損傷容限開辟了一種新策略。

材料的變形行為在很大程度上受晶體結(jié)構(gòu)、成分和鍵合特性的影響。傳統(tǒng)上，金屬結(jié)合固體通過促進位錯活性、變形孿生或相變進行塑性變形。相反，由于位錯活性有限和強的局部相互作用限制了晶格弛張和轉(zhuǎn)變，共價結(jié)合固體表現(xiàn)出鍵斷裂（即脆性斷裂）。因此，共價固體，如碳化硼，通常被描述為超硬但越來越脆。

碳化硼具有堅固穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，是一種理想的結(jié)構(gòu)陶瓷。碳化硼的晶體結(jié)構(gòu)由位于菱形晶格頂點的緊密結(jié)合的巴克球狀12原子二十面體組成。該結(jié)構(gòu)由一個3原子線性鏈在[111]r方向上穿過最長的對角線完成。碳化硼可以有B11C（富C的B4C有11個B和1個C原子）或B12（富B的B13C2有12個B原子）二十面體和C-B-C線性鏈。B-B和B-C原子之間強而穩(wěn)定的共價鍵導(dǎo)致了極高的硬度（>40 GPa）和化學惰性。因此，碳化硼通常用于結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中惡劣的環(huán)境，如研磨工具，耐磨部件，中子吸收屏蔽，陶瓷裝甲。

未摻雜碳化硼的脆性已被大量透射電子顯微鏡（TEM）研究證實，在室溫機械加載后，沒有觀察到廣泛的位錯塑性證據(jù)，只有少部分非晶化調(diào)節(jié)的位錯活性和彈道沖擊下的層錯形成。在高剪切載荷情況下碳化硼因應(yīng)力誘導(dǎo)非晶化而失效。高剪切應(yīng)力觸發(fā)二十面體的坍塌，是由3原子鏈的彎曲引發(fā)的，導(dǎo)致納米尺度非晶剪切帶網(wǎng)絡(luò)的形成。高壓下鏈中心點缺陷的形成和隨后C-C-2原子鏈的出現(xiàn)導(dǎo)致體積的突然變化，也被用來解釋異常破壞行為。

無論非晶化的確切起源如何，碳化硼的破壞行為與其他陶瓷體系（如ZrB2、HfB2、SiC、MgO和Al2O3）形成鮮明對比。在這些陶瓷體系中，在室溫下機械變形后，出現(xiàn)了局域形變孿晶和位錯活性。在ZrB2和HfB2的例子中，金屬物種，即Zr和Hf，為高共價硼化物體系提供了金屬和離子鍵特性，這促進了局域位錯移動。因此，開展這項工作是為了研究在碳化硼中加入金屬物種，如Al，是否同樣能促進其變形行為的多樣性和改善力學性能。

在這項研究中，新澤西州立大學Qirong Yang等人發(fā)現(xiàn)了AL摻雜碳化硼在基底滑移系統(tǒng)（111）[1-10]中顯示出局部位錯活性。與大多數(shù)材料中發(fā)現(xiàn)的原子層位錯相比，碳化硼表現(xiàn)為二十面體介導(dǎo)的平面滑移。TEM分析直接證實了Al摻雜碳化硼中位錯的形成，并用密度泛函理論（DFT）對其進行了合理解釋，揭示了碳化硼結(jié)構(gòu)中Al原子遷移和二十面體旋轉(zhuǎn)是二十面體滑移的關(guān)鍵。位錯的形成和運動與非晶化的發(fā)展相競爭，從而導(dǎo)致Al摻雜碳化硼內(nèi)非晶化的減少。

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