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    我国学者在金刚石弹性和塑性研究中取得重要进展

    日期 2020-03-19   来源:工程与材料科学部   作者:陈克新  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:51672239,11725210,11672355和11702165)等资助下,燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授团队与浙江大学交叉力学中心杨卫教授团队合作,实现了金刚石的超高弹性应变(拉伸强度)和室温位错诱导的塑性变形。研究成果以“逼近金刚石的理论弹性限和强度限(Approaching  diamond's  theoretical  elasticity and strength limits)”、“金刚石中室温位错塑性的直接观察(Direct observation of room-temperature dislocation plasticity in diamond)”为题,在线发表于《自然通讯》(Nature Communications)期刊和《物质》(Matter)期刊上。论文链接分别为:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13378-w和https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30073-4。

      金刚石是自然界中已知的最硬晶体。金刚石晶体的实测强度仅能达到其理论强度的十分之一左右。由于其室温脆性大、无明显塑性变形,严重制约了它的潜在应用。

      燕山大学与浙江大学的两个团队合作,凭借自主研发的原位微纳米力学实验平台,在透射电镜下对金刚石纳米针进行了原位弯曲实验。实验结果表明:金刚石纳米针的最大拉伸应变对尺寸、晶向及表面粗糙度有很大的依赖关系(图1)。其中,在直径为60 nm的<100>取向的金刚石纳米针中,实现了高达13.4%的可回复拉伸应变和125 GPa的拉伸强度。该强度突破了经典的Griffith理论强度限,是迄今为止文献报道的最高强度值。如此大的弹性应变可以大范围地调控金刚石带隙,为金刚石在微纳器件领域的应用提供了新的可能。

    (a) 金刚石弯曲TEM照片(b)金刚石纳米针断裂应变对尺寸和取向的依赖关系(c)金刚石理想应力-应变曲线

    图1金刚石纳米针原位弯曲测量

      随后,两个团队采用自主研发的纳米孪晶金刚石作为压头,成功实现了单晶金刚石微纳柱体的单轴压缩。原位观察到了单晶金刚石室温下位错主导的塑性形变,解答了长久以来关于金刚石是否存在室温塑性的争议。通过对金刚石微纳柱体内产生的位错网络进行三维重构和原子分辨下的位错芯成像(图2),发现在<111>和<110>取向压缩时普遍产生{100}面内的位错滑移,而在<100>方向压缩时却产生{111}面内的位错滑移。金刚石中位错产生对加载方向表现出很强的依赖关系。由于化学键的强共价性和方向性,金刚石的位错行为与Cu、Au、Ag和Si等其它面心立方晶体完全不同,改变了有关面心立方晶体位错滑移的传统认知。

    (a)压缩前金刚石纳米柱TEM暗场像(b)位错在金<111>取向金刚石纳米柱内产生和演化

    (c)位错芯原子像(d)金刚石纳米柱中位错网络的三维重构

    图2室温下<111>取向金刚石纳米柱原位压缩塑性形变测量

    图3. 浙江大学交叉力学中心自主研发的四自由度纳米操纵平台

      此外,浙江大学交叉力学中心自主研发了四自由度纳米操纵平台(图3),将纳米操纵、动态观察与三维重构有机的结合在一起,实现了原位加载观测动态微结构演化与微结构的三维解析,为后续针对强共价材料微纳米力学测试系统的开发及变形机制研究提供了重要手段。




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