塑性氮化硼陶瓷的兴起

陶瓷具有无可比拟的强度、硬度和高温稳定性,是一种重要的工程材料。与金属相比,陶瓷在室温下天然脆性大、变形能力差。在外部应力下,陶瓷几乎不发生塑性变形,仅具有很小的弹性形变。当超过弹性极限时(通常小于1%),陶瓷中会出现裂纹并迅速扩展,导致灾难性的破坏,严重阻碍了陶瓷作为结构材料的应用。

近日,燕山大学田永君院士和赵智胜教授等人SCIENCE CHINA Materials发表论文(DOI:10.1007/s40843-020-1466-0),指出通过构建低或无择优取向的三维互锁层状结构,可以同时提高氮化硼陶瓷的变形能力和强度(图1)。这种氮化硼陶瓷的抗压强度高达343MPa,应变达4.2%,是通常层状氮化硼陶瓷强度的3倍和应变的2倍。另外这种氮化硼陶瓷还具有室温塑性,变形可达1.1%。

塑性氮化硼陶瓷的兴起

图1: 氮化硼陶瓷的循环加载-卸载曲线。插图为断面的SEM形貌图,显示陶瓷由低择优取向的三维互锁片层结构组织构成。

众所周知,传统的层状氮化硼陶瓷是通过烧结石墨状六方氮化硼(hBN)粉末制成的,但在热压或放电等离子烧结时,hBN片会在加载力的作用下发生优先取向。为了减少这种影响,在最新的研究中研究人员首先制备了一种叫做洋葱状氮化硼(oBN)的纳米原材料(这种材料由俄罗斯套娃一样的多层球壳构成),并以其为前驱体来烧结氮化硼陶瓷。通过分析烧结后陶瓷的微观结构,他们发现oBN纳米粉体已经完全转变成了层状的氮化硼纳米片,这些纳米片在陶瓷中具有任意的取向并且三维互锁在一起。在这种结构中,单个纳米片内部层间的滑移以及纳米片之间的移动都被周围具有不同取向的纳米片所限制,从而导致陶瓷的高强度。同样由于这种限制,这些薄的纳米片在外力作用下会发生柔性变形,有助于提高陶瓷的变形能力。另外,压缩过程中出现的层间滑移、扭结带、分层和裂纹等不可逆的累积损伤也可在一定范围内减少,因此实现陶瓷的塑性形变。

当前的研究结果表明层状氮化硼陶瓷在室温下可能具有大的压缩变形能力和高塑性。当进一步减少陶瓷内纳米片的尺度及择优取向,有望极大提高氮化硼陶瓷的强度、变形能力和塑性。当前的设计思想也适用于其他层状材料,如MAX相陶瓷、石墨、2D层状半导体(Be2Te3、WS2和MoS2)等。

该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、优秀青年科学基金、面上等项目资助(资助号:91963203、51672238、51722209、51772260、51525205)。[中国科学杂志社]

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