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燕山大學在金剛石力學性能研究中取得重要進展

2020-03-13亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室 張春祥(點擊:)

【新聞中心訊】近期,燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君院士團隊與浙江大學交叉力學中心楊衛院士團隊合作,實現了金剛石的超高彈性應變(拉伸強度)和室溫位錯誘導的塑性變形。研究成果相繼發表在Nature子刊(https://www.nature.com/articles/s41467-019-13378-w)及Cell子刊上(https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30073-4)。

金剛石是自然界已知最硬的材料,被廣泛應用于珠寶、機械、半導體、對頂砧以及新型微納操縱等行業和領域,是不可或缺的戰略性材料,得到世界各工業發達國家的高度重視。然而,室溫下金剛石塊材極易脆斷,實測彈性應變不足2%,傳統更認為其不具備塑性變形能力,這些特征嚴重限制了金剛石的潛在應用。

燕山大學與浙江大學的兩個團隊合作,憑借自主研發的原位微納米力學實驗平臺,在透射電鏡下對金剛石納米針進行了原位彎曲實驗。實驗結果表明金剛石納米針的最大拉伸應變對尺寸、晶向及表面粗糙度有很大的依賴關系(圖1)。值得關注的是,在直徑為60 nm的<100>取向的金剛石納米針中實現了高達13.4%的可回復拉伸應變,對應的拉伸強度達125 GPa,突破了經典的Griffith理論強度,是迄今為止實驗上獲得的金剛石最高強度值。如此大的彈性應變可以大范圍地調控金剛石的帶隙,將進一步推動金剛石作為新一代理想半導體材料在柔性光電子器件、生物傳感器和納米機械操縱器等方面的應用研究。研究成果于2019年12月04日在NatureCommunications在線發表。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13378-w

金剛石納米針原位彎曲測量

(a)金剛石彎曲TEM照片;(b)金剛石納米針斷裂應變對尺寸和取向的依賴關系;(c)金剛石理想應力-應變曲線

隨后,兩個團隊采用自主研發的納米孿晶金剛石作為壓頭,成功實現了單晶金剛石微納柱體的單軸壓縮。原位觀察到了單晶金剛石室溫下位錯主導的塑性形變,解答了長久以來關于金剛石是否存在室溫塑性的爭議。通過對金剛石微納柱體內產生的位錯網絡進行三維重構和原子分辨下的位錯芯成像(圖2),發現在<111>和<110>取向壓縮時普遍產生{100}面內的位錯滑移,而只在<100>方向壓縮時才會產生{111}面內的位錯滑移。金剛石中位錯產生對加載方向表現出很強的依賴關系。由于化學鍵的強共價性和方向性,金剛石的位錯行為與Cu、Au、Ag和Si等其它面心立方晶體完全不同,顛覆了面心立方晶體沿最密排{111}面滑移的傳統認知。研究成果于2020年03月10日在Matter上在線發表。論文鏈接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30073-4

室溫下<111>取向金剛石納米柱原位壓縮塑性形變測量

(a)壓縮前金剛石納米柱TEM暗場像;(b)位錯在<111>取向金剛石納米柱內產生和演化;(c)位錯芯原子像(d)金剛石納米柱中位錯網絡的三維重構

研究結果表明微納尺度金剛石單晶已表現出良好的彈性以及一定的塑性變形能力,顛覆了研究者對金剛石機械性能的傳統認知,為未來通過尺寸及組織結構調控提高金剛石材料的韌性和塑性提供了科學依據。

兩項工作第一作者為聶安民教授,燕山大學署名第一單位,得到了科技部(項目號2018YFA0703400)和國家基金委(項目號11725210,11672355,11702165和51672239)的大力支持。(編輯 褚玉晶)

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