第一单位！材料最强双非之一—燕山大学，联手浙大「国家杰青」，新发Nature Materials！
2025-02-17 17:41:55
作者：诠释干货 来源：诠释干货
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立方氮化硼（cBN）是一种具有极高硬度和脆性的共价晶体，广泛应用于超硬材料和切削工具等领域。虽然金属材料中已广泛研究了孪生变形这一机制，但在共价材料中，由于其极强的共价键和脆性，孪生变形机制尚未得到深入研究。一般而言，孪生变形通常出现在面心立方金属（fcc金属）中，但由于共价材料的化学键和力学反应与金属有显著差异，因此其变形机制仍未明了。尽管cBN相比钻石更容易发生孪生变形，但相关研究仍然匮乏。基于此，燕山大学聂安民教授、浙江大学王宏涛教授等人合作提出了一种普适的孪生激活策略，不仅适用于cBN，还能广泛应用于其他脆性共价材料如金刚石、硅碳化物等，为优化共价材料的力学性能提供了新的思路。该研究以“Activating deformation twinning in cubic boron nitride”为题，发表在《Nature Materials》期刊上。聂安民，燕山大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室研究人员。长期致力于发展和应用原位高分辨透射电子显微技术，在原位加载装置设计、电化学能量存储及超硬材料构效关系研究中取得了系列创新性成果。截至目前在包括Nature Communication、Nano Letters及Matter等国际期刊上发表SCI论文。获得河北省自然科学基金杰出青年项目支持，入选了教育部青年长江学者、上海市青年拔尖人才和东方学者特聘教授人才计划。王宏涛，浙江大学求是特聘教授，浙江大学交叉力学中心执行主任，国家杰出青年基金获得者，清华大学及哈佛大学博士。本人一直致力于将国家重大需求与基础研究结合，在纳观及原子尺度探究材料微观结构与宏观性能的力学关联，创新发展微纳米力学原位实验方法、技术以及计算模拟方法。1、本研究首次在立方氮化硼中成功激活了孪生变形，揭示了其在高压条件下的变形行为，为硬质共价材料的力学性能提升提供了新途径。2、通过开发新的加载特定孪生标准，研究团队提出了一种普适的孪生激活策略，能够在多种脆性共价材料中激活孪生变形，具有广泛的应用前景。3、使用原子分辨的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM），观察到cBN的孪生变形过程是通过一个连续过渡机制进行的，显著不同于金属中典型的层状滑移机制，揭示了共价材料在高压条件下的独特变形机理。图1 展示了基于加载特定标准激活变形孪生的实验过程。图中首先展示了计算的广义层错能（GSFE）曲线，用于评估不同剪切模式的能量障碍。研究团队计算了几种常见的剪切模式：1/2 <110>{100}、1/2 <110>{111}和1/6 <112>{111}，并对它们的能量峰值（γus）进行对比，揭示了变形过程中的能量障碍。通过这些分析发现，1/6 <112>{111}剪切模式的能量障碍相对较低，因此在特定加载方向下，这一模式更容易激活，尤其是在<100>方向的加载条件下。图中还展示了孪生倾向因子（ft）的计算结果，它根据加载方向来预测变形孪生的倾向。当ft值大于1时，表示1/6 <112>{111}模式优先激活孪生。该因子为预测材料在不同加载方向下的变形行为提供了理论依据。最后，图中的TEM图像展示了在<100>方向下，cBN纳米柱经过单轴压缩后变形孪生的实际情况，图像清晰地显示了孪生层的形成，并通过选区电子衍射（SAED）验证了其孪生特征，进一步证明了此加载特定孪生标准的有效性。图2 变形引起的立方氮化硼（cBN）亚微米柱力学性能增强分析图2展示了在<100>、<110>、和<111>方向的cBN柱在压缩过程中各自的应力响应。<100>方向的纳米柱展现了显著的塑性变形，最终达到约55%的应变，而<111>方向和<110>方向的柱子在压缩过程中则表现出较为有限的塑性，分别达到28%和19.5%的应变。这些差异显示出不同晶体方向对变形行为的显著影响。研究人员还进一步分析了这些柱子在不同方向上的力学性能，包括其强度和应变。图中比较了这些方向的极限强度，<100>方向的柱子展现出最高的压缩强度（92 GPa），而<111>方向则为58 GPa，<110>方向为40 GPa。图中揭示的力学行为表明，<100>方向的cBN柱在变形过程中成功激活了孪生变形，进一步提高了材料的强度和塑性，从而为cBN材料在高强度应用中的潜力提供了支持。图3 共价立方氮化硼（cBN）中的连续过渡介导变形孪生机制图3 展示了在原子分辨率下观察到的cBN的变形孪生过程。图像显示了变形孪生过程中从基体到孪生区域的原子位移。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM），研究团队清晰地捕捉到了孪生前后的原子排列变化。图中原子之间的间距变化，揭示了在孪生区域内，原子发生了大规模的平移，形成了具有新晶体取向的孪生层。通过进一步分析发现，cBN的孪生变形并非通过经典的层状滑移机制进行，而是通过一个连续的过渡机制进行的。这一发现显著区别于金属材料中常见的层状滑移机制，说明在共价材料中，变形孪生的原子重排过程可能涉及更为复杂的原子迁移和结构转换。图中的连续过渡机制首次在cBN中得到验证，提供了对变形孪生过程的新理解，并为其他硬质共价材料的变形机制提供了新的研究方向。图4 展示了基于密度泛函理论（DFT）与分子动力学模拟（MD）结果，模拟了cBN的连续过渡孪生变形机制。图中通过模拟得到的结果显示，cBN的变形孪生过程是通过一个连续的原子位移过程进行的，而不同于金属材料那样依赖于分段滑移的部分位错。模拟图中的红线代表孪生边界的位置，随着外部应力的增加，孪生区域逐渐扩大，原子从基体向孪生区域平移。该过程揭示了原子在滑移面上的整体位移，而不是局部的位错滑移。这个模拟结果与实验观察到的现象一致，证明了cBN中变形孪生的连续过渡机制，并进一步支持了该机制在超硬材料中的普遍性。图中还展示了通过DFT-MD模拟的应力-应变曲线，进一步验证了该变形机制对材料力学性能的影响。模拟结果为深入理解变形孪生机制提供了重要的理论支持，并为材料的设计和优化提供了新的思路。本研究通过激活立方氮化硼（cBN）中的变形孪生，突破了传统硬质材料在力学性能上的瓶颈。研究表明，通过特定加载方向的孪生标准，可以在cBN中成功激活变形孪生现象，从而显著提升其压缩强度和塑性变形能力。尤其在<100>方向，cBN材料的压缩强度达到了92 GPa，并且表现出高达55%的应变，这使得cBN在高强度应用中的潜力得到了充分体现。通过分子动力学模拟和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察，研究进一步揭示了cBN中变形孪生的连续过渡机制，提出了与金属材料不同的独特变形过程。基于加载特定孪生标准的变形孪生激活方法有望推广至其他脆性共价材料，如金刚石、硅碳化物等，为超硬材料的设计与性能提升提供新的路径。Activating deformation twinning in cubic boron nitride, Nature Materials, https://doi.org/10.1038/s41563-024-02111-8.
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