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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：405573

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。

转载请注明出处（金属顶刊《Acta》：激活碳化硼局部位错活性！大幅降低陶瓷脆性！： http://www.np-materials.com/news/1007.html )

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