来源:燕山大学微信公众号 发布时间:2024/2/25 15:04:16
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燕山大学发表2024年第2篇nature

 

燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心田永君院士团队与国内外学者合作,采用功能基元序构的设计策略,通过调控高能亚稳态到低能亚稳态的固态相变,合成出层状基元转角序构的氮化硼陶瓷,成功实现了赋予陶瓷块材室温塑性的重大科学目标。研究成果以“具有高变形能力和强度的转角层状氮化硼陶瓷(Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength)”为题,于2024年2月21日发表于《自然》期刊[Nature 626, 779–784 (2024)],论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07036-5。同时,研究团队还受邀在Nature上发表研究简报(Research Briefing),介绍该研究及背后的故事[Nature,https://doi.org/10.1038/d41586-024-00443-8(2024)],其中美国阿尔弗雷德大学的吴义权教授对该工作进行了点评:“看到这种陶瓷的大规模生产和加工成为可能,我感到非常兴奋。此外,用石墨进行的实验表明,这种改善陶瓷性能的方法不仅限于氮化硼,而且有可能应用于其他层状材料。”

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图为转角层状氮化硼陶瓷的显微组织结构和室温单轴压缩性能。a陶瓷由三维互锁的纳米片构成,每个纳米片由具有不同转角的层状基元堆叠而成;b陶瓷在室温下单轴压缩变形前后的照片;c转角层状氮化硼陶瓷与传统陶瓷块材的室温变形能力、塑性和强度的对比

相比于金属,陶瓷具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异特性,因此作为结构材料已得到广泛应用。但是,陶瓷在室温下几乎无塑性,仅经历很小的弹性变形就会发生早期脆性断裂,引发灾难性事故,这是陶瓷作为工程材料的致命弱点。自陶瓷问世以来,人们一直梦想能制造出像金属那样在室温可产生永久变形的塑性陶瓷。遗憾的是,人们仅能在高温或微纳尺度下观察到陶瓷的塑性变形行为,实现陶瓷块材室温塑性这一科学目标一直面临巨大挑战。

研究团队利用洋葱结构氮化硼热压和放电等离子烧结过程中的结构相变,合成出一种层状基元转角序构的氮化硼陶瓷块材。这种陶瓷中的氮化硼纳米片呈三维互锁结构,每个纳米片由相对转动不同角度的平行薄片(几层到十几层厚度)为结构基元堆叠而成。这种转角层状氮化硼陶瓷块材具有超乎想象的室温变形能力:在单轴压缩条件下,断裂应变高达14%,比传统陶瓷块材高出一个数量级。令人惊奇的是,这种转角层状氮化硼陶瓷在强度提升至层状六方氮化硼陶瓷6-10倍的情况下,卸载后的永久塑性变形竟然高达~8%,打破了结构材料强度和塑性难以同时提升的传统认知。这种强塑性提升的协同一方面源于转角序构的引入,使材料本征变形能力提升2个数量级;另一方面源于三维互锁的显微组织结构,阻断了扭折、分层、涟漪、位错等的传播,将变形局限在单个纳米片的内部。从而,突显了本征变形能力的贡献而削弱了晶界的负面作用。

转角层状氮化硼陶瓷不仅具有高强度和高塑性,还具有高的能量吸收能力和抗疲劳特性,有望进一步研制出高性能的密封件、阻尼元件、防护装甲等产品。原理上讲,该研究的材料设计和合成策略可拓展到其他层状材料体系,如石墨、MAX相陶瓷等,为进一步研发其他体系的塑性陶瓷提供了启示。

该工作得到国家自然科学基金(52288102,91963203,52325203,52202071,52090020等)、国家重点研发计划(2018YFA0305900)、河北省自然科学基金(E2023203256,E2022203109)等项目的资助。该研究成果已获得中国、美国、日本、欧洲发明专利授权。论文的共同第一作者为武英举、张洋、王小雨、胡文涛和赵松,通讯作者为赵智胜和田永君。

 
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