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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:521150

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(jī)械載荷的能量耗散機(jī)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(xué)模擬和電鏡分析,對位錯滑移激活的機(jī)理進(jìn)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(jī)械載荷的能量耗散機(jī)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(xué)模擬和電鏡分析,對位錯滑移激活的機(jī)理進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)位錯活性、變形孿生或相變進(jìn)行塑性變形。相反,由于位錯活性有限和強(qiáng)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(qiáng)而穩(wěn)定的共價鍵導(dǎo)致了極高的硬度(>40 GPa)和化學(xué)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)其變形行為的多樣性和改善力學(xué)性能。

在這項研究中,新澤西州立大學(xué)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(jìn)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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