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燕山大学田永君院士团队:新型纳米孪晶金刚石结构,硬度668GPa!,中国化工网,okmart.com
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燕山大学田永君院士团队:新型纳米孪晶金刚石结构,硬度668GPa!
2020年09月14日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

导读:本文通过在金刚石中引入相交孪晶界,研究了具有新颖微观结构金刚石的力学性能。系统地分析了该设计金刚石的四种滑移模式下的39种滑移系统。通过模拟计算得知int-金刚石的硬度要比nt-金刚石高得多中国化工网okmart.com。硬化机制归因于相交的孪晶界,它们阻碍了位错运动,从而导致CRSS的增加。本研究为实验设计新型超硬材料提供了一种新的策略。


钻石是世界上最坚硬,但可压缩性最低的晶体材料。认识和进一步改善其硬度在科学技术的道路上非常重要。在过去的几十年中,已经在这方面付出了许多努力。已经证明的是,金刚石的硬度可以根据霍尔佩奇效应,即通过改变晶粒尺寸等来改善。


例如,纳米晶金刚石(ng-金刚石)晶粒尺寸为10-30nm已被报道努氏硬度高达110-140GPa,比单晶金刚石的硬度显著提升。纳米双晶金刚石(nt-金刚石)通过压缩纳米结构合成,平均双晶厚度约5-8nm,最近有报道称其维氏硬度175-200GPa,创造了新的世界纪录。nt-金刚石的硬度可以进一步提高吗?这对于设计新的超硬材料是潜在的科学问题。

 

来自燕山大学田永君院士团队的温斌教授等,与美国芝加哥大学的王雁宾教授合作,利用分子动力学(MD)计算探讨了纳米孪晶界(TBs)对nt-金刚石的影响,并开发了一种新型交叉纳米孪晶金刚石(int-金刚石)结构,经过计算预测硬度比nt-金刚石更高。相关论文以题为“Intersectional nanotwinned diamond-the hardest poly crystalline diamond by design”发表在npj Computational Materials。


本研究基于Burgers矢量与位错线之间的夹角为0°位错的行为分析金刚石的硬度。在一个int-金刚石晶粒中具有两个不同取向的孪晶界共存并交织,根据位错线方向及滑移面方向可将滑移模式分为四种类型:滑移(ST)模式、限制层滑(CLS)模式、限制滑移转移模式Ⅰ和限制滑移转移模式Ⅱ。由于这些滑动模式与孪晶交互作用不同,所以四种模式的临界分切应力(CRSS)不同。


在ST模式时位错在孪晶内滑移,对应的CRSS由晶格摩擦应力和孪晶内位错的能量势垒确定;在CLS模式时,位错线在两个孪晶内,位错运动被两个孪晶和CRSS的限制可通过位错能来评价;在CTS-Ⅰ,0°位错限制在两个孪晶界之间,到达孪晶时变为60°位错,CRSS取决于60°位错与孪晶反应的能量势垒和位错能;对于CTS-Ⅱ模式,位错运动类似于CTS-Ⅰ,能量势垒由与孪晶界反应的0°位错确定。随着切应力的增加,与孪晶界反应的0°和60°位错的激活能分别在19GPa和48GPa的切应力下达到0,这些应力被认为是位错各自的能量势垒。

            

燕山大学田永君院士团队:新型纳米孪晶金刚石结构,硬度668GPa! 中国化工网,okmart.com

图1 int-金刚石微结构及其滑动模式示意图


通过Sachs模型模拟金刚石的硬度,在孪晶层厚度为0.62nm时,int-金刚石的硬度为668GPa,比nt-金刚石(401GPa)高约67%。采用MD模拟研究了多晶金刚石的屈服强度,孪晶厚度为5.5和1.2nm时,int-金刚石的屈服强度为165GPa;nt-金刚石屈服强度分别为154和161GPa;ng-金刚石屈服强度为140GPa,这些结果进一步证实了Sachs模型的模拟结果。(文:破风)

 

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图2 模拟计算的int-金刚石、nt-金刚石和ng-金刚石的应力-应变曲线


2020年3月10日燕山大学田永君院士团队和浙江大学杨卫院士团队发文称,通过原位TEM测试发现,金刚石在<111>和<110>方向上进行单轴压缩时,塑性主要由位错在非密排面{100}的滑移决定!改写教科书中关于面心立方(FCC)晶体沿{111}面滑移的传统认识!


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