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金属顶刊《Acta》:激活碳化硼局部位错活性!大幅降低陶瓷脆性!

信息来源:本站 | 发布日期: 2022-11-04 08:38:21 | 浏览量:29787

摘要:

导读:位错滑移、变形孪生、相变和快速断裂是适应材料机械载荷的能量耗散机制。位错在能量上的不利形成归因于超硬陶瓷,特别是碳化硼,易于开裂和低的损伤容限。本文通过量子力学模拟和电镜分析,对位错滑移激活的机理进行了解释,结果表明,在二十面体旋转和链键断裂和重…

导读:位错滑移、变形孪生、相变和快速断裂是适应材料机械载荷的能量耗散机制。位错在能量上的不利形成归因于超硬陶瓷,特别是碳化硼,易于开裂和低的损伤容限。本文通过量子力学模拟和电镜分析,对位错滑移激活的机理进行了解释,结果表明,在二十面体旋转和链键断裂和重组的促进下,应变能通过基底二十面体滑移释放。从这项工作中获得的新见解表明,原子掺杂可能是调整碳化硼变形机制的一种有效策略,这为限制非晶化和突变失效提供了重要的潜力,并为提高脆性陶瓷的损伤容限开辟了一种新策略。

材料的变形行为在很大程度上受晶体结构、成分和键合特性的影响。传统上,金属结合固体通过促进位错活性、变形孪生或相变进行塑性变形。相反,由于位错活性有限和强的局部相互作用限制了晶格弛张和转变,共价结合固体表现出键断裂(即脆性断裂)。因此,共价固体,如碳化硼,通常被描述为超硬但越来越脆。

碳化硼具有坚固稳定的晶体结构,是一种理想的结构陶瓷。碳化硼的晶体结构由位于菱形晶格顶点的紧密结合的巴克球状12原子二十面体组成。该结构由一个3原子线性链在[111]r方向上穿过最长的对角线完成。碳化硼可以有B11C(富C的B4C有11个B和1个C原子)或B12(富B的B13C2有12个B原子)二十面体和C-B-C线性链。B-B和B-C原子之间强而稳定的共价键导致了极高的硬度(>40 GPa)和化学惰性。因此,碳化硼通常用于结构工程应用中恶劣的环境,如研磨工具,耐磨部件,中子吸收屏蔽,陶瓷装甲。

未掺杂碳化硼的脆性已被大量透射电子显微镜(TEM)研究证实,在室温机械加载后,没有观察到广泛的位错塑性证据,只有少部分非晶化调节的位错活性和弹道冲击下的层错形成。在高剪切载荷情况下碳化硼因应力诱导非晶化而失效。高剪切应力触发二十面体的坍塌,是由3原子链的弯曲引发的,导致纳米尺度非晶剪切带网络的形成。高压下链中心点缺陷的形成和随后C-C-2原子链的出现导致体积的突然变化,也被用来解释异常破坏行为。

无论非晶化的确切起源如何,碳化硼的破坏行为与其他陶瓷体系(如ZrB2、HfB2、SiC、MgO和Al2O3)形成鲜明对比。在这些陶瓷体系中,在室温下机械变形后,出现了局域形变孪晶和位错活性。在ZrB2和HfB2的例子中,金属物种,即Zr和Hf,为高共价硼化物体系提供了金属和离子键特性,这促进了局域位错移动。因此,开展这项工作是为了研究在碳化硼中加入金属物种,如Al,是否同样能促进其变形行为的多样性和改善力学性能。

在这项研究中,新泽西州立大学Qirong Yang等人发现了AL掺杂碳化硼在基底滑移系统(111)[1-10]中显示出局部位错活性。与大多数材料中发现的原子层位错相比,碳化硼表现为二十面体介导的平面滑移。TEM分析直接证实了Al掺杂碳化硼中位错的形成,并用密度泛函理论(DFT)对其进行了合理解释,揭示了碳化硼结构中Al原子迁移和二十面体旋转是二十面体滑移的关键。位错的形成和运动与非晶化的发展相竞争,从而导致Al掺杂碳化硼内非晶化的减少。

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