燕山大学等Science Advances：强度43GPa的碳化硼有室温大塑性

揭示室温下碳化硼晶体的高延展性

• 首先，通过电子叠层成像技术（electron ptychography）结合四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM），对B4C的原子排列进行了精确表征，克服了传统成像方法的局限性。
• 利用高精度的电子显微镜和定制的探测器，收集了高分辨率的4D-STEM数据集，并通过集成约束梯度下降协议（icGd）消除了位置误差和表面污染，显著提高了B4C晶格的对比度。
• 通过聚焦离子束（FIB）技术制备了微纳尺度的B4C样品，采用了两种不同的力学测试方法：直接拉伸法和推拉法（PTP），以研究B4C在弹性极限之外的变形行为。直接拉伸法用于获取应力-应变曲线，而PTP法则用于对超薄样品施加应变，便于在高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）下进行原位观察。
• 运用分子动力学（MD）模拟，使用基于深度神经网络的机器学习力场（ML-FF）来模拟B4C的力学行为和变形机制。

• 成功揭示了碳化硼（B4C）在室温下展现出高达26.8%的高延展性，这一特性在共价材料中极为罕见，且与金属相当。

• 通过原位高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察到，当B4C晶格超过其弹性应变极限时，会形成局部非晶区域，从而导致塑性变形。

• 分子动力学模拟进一步揭示了在含硼空位的碳-空位-碳（C─V─C）链中，C─C键的形成引发了局部非晶化，进而促进了塑性变形。

• 结果表明，B4C的塑性变形主要归因于其晶体结构中的空位。这些空位在高应力条件下促进了C─C键的形成，导致局部非晶化，从而实现了显著的塑性变形。

• 纳米尺度的B4C样品由于其小尺寸效应，能够更逐渐地接近灾难性断裂的临界平面能量密度，从而促进多个非晶化形核点的形成。这一过程通过局部结构转变实现了应变容纳，最终增强了材料的延展性。

• 本研究不仅揭示了B4C在室温下高延展性的微观机制，还为提高其他强共价材料的延展性提供了一种潜在策略，即通过引入特定的空位来调控材料的塑性。这一发现为开发具有优异力学性能的新型陶瓷材料提供了理论依据，有望推动B4C在防弹衣、航空航天等领域的更广泛应用。

• Unveiling high ductility in boron carbide crystal at room temperature

• Penghui Li, Jun Li, Qilong Feng, Tianye Jin, Yeqiang Bu, Chong Wang, Kun Luo, Shoucong Ning, Bo Xu, Yihan Zhu, Qi An, Hongtao Wang, Anmin Nie, Yongjun Tian