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祝贺!2024年燕山大学再发Nature

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范德华材料中由扭曲堆积形成的莫尔维尔超晶格已经成为探索强相关材料和其他新兴现象的物理新平台。然而,由于缺乏合适的制作三维块体材料的策略,对扭曲层范德华材料的力学性能研究仍然缺乏。

2024年2月21日,燕山大学赵智胜及田永君共同通讯在Nature在线发表题为“Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength”的研究论文,该研究成功合成了一种具有高室温变形能力和高强度的多晶氮化硼体陶瓷。

这种陶瓷是由洋葱状氮化硼纳米递质通过传统的火花等离子烧结和热压烧结合成的,由互锁的层状纳米板组成,其中平行的层状纳米板以不同的扭曲角度堆叠。该块体陶瓷的断裂前压缩应变可达14%,比传统陶瓷(一般小于1%)高一个数量级,而抗压强度是普通六方氮化硼层状陶瓷的6倍左右。这种特殊的机械性能是由于纳米板中扭曲层的固有变形能力的提高和三维互锁结构的结合,限制了变形在单个纳米板上的传播。这种扭曲层氮化硼体陶瓷的出现为高度可变形体陶瓷的制造打开了大门。

2024年1月3日,燕山大学田永君、徐波及胡文涛共同通讯在Nature在线发表题为“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”的研究论文,该研究报告了在室温下金刚石中六种ITB构型和结构转变的原子观察,显示了不同于金属系统的位错介导机制。主导ITBs不对称且流动性较差,对纳米孪晶金刚石的连续硬化起着重要作用。该研究讨论了ITB活动的潜在驱动力。总之,该研究结果揭示了金刚石和共价材料中GB的行为,指出了开发高性能纳米孪晶材料的新策略。



由层状范德瓦尔斯(vdW)晶体片沿堆叠方向进行轻微的相对旋转(扭转角)而形成的莫尔维尔超晶格,促使人们对强相关物理进行了深入的研究。扭转角的引入打破了晶体结构固有的对称性,常常导致物理性质的独特变化。例子包括魔角双层和多层石墨烯中的超导性,以及源自两个微扭曲六方氮化硼(hBN)薄晶体之间界面的类铁电畴。理论模拟预测,调整二维过渡金属二硫化物的扭转角可能会导致自旋液态、量子反常霍尔效应和手性d波超导等新的物理现象。除了这些新的物理现象外,实验观察还表明,通过改变vdW层状材料的扭转角度可以改变其力学性能。例如,扭曲的双层二硫化钼显示出明显的摩擦降低,微尺度石墨可以在大范围的双晶扭曲角度下保持超润滑。这些发现表明,在BN等vdW陶瓷材料中,层状结构中引入扭转可能会对体陶瓷的变形能力和强度产生显著影响。

hBN是一种具有层状晶体结构的典型vdW材料。在室温下,工业上广泛使用的块状hBN陶瓷是脆性的,抗压强度低,约为100 Mpa,在灾难性破坏之前可以承受非常有限的弹性变形(通常在1%的水平)。通过添加各种助烧剂或增强相,可以在一定程度上提高hBN陶瓷的强度,但对变形性能的改善不大。实验中,在微/纳米尺度的陶瓷单晶和寡晶中,如金刚石、AlN、TiO2、Si3N4和ZrO2中观察到较大的室温弹性和塑性。然而,在块状致密陶瓷中实现类似的室温可变形性仍然是一个艰巨的挑战。



SPS制备的块状陶瓷的XRD图谱和微观结构(图源自Nature)

最近有人提出,无机vdW材料的可变形性可以根据三个关键因素来评估:允许层间滑动的低滑动能(Es),在滑动过程中保持层间完整性的高解理能(Ec),以及确保层内柔性的合适的面内杨氏模量(Y) 。这三个参数可以组合定义变形系数Ξ= (Ec/Es)(1/Y) 。在vdW材料中,引入扭曲堆积可以增加层间间距,从而降低Es,从而提高变形系数。

该研究报道了由三维互锁BN纳米片组成的块体BN陶瓷的合成,其vdW层形成具有不同扭曲角度的层状结构。以洋葱状氮化硼纳米颗粒为原料,采用传统的火花等离子烧结(SPS)和热压烧结技术合成了扭曲层体陶瓷。这种扭曲层体陶瓷在室温下表现出优异的变形能力(高达14%的压缩应变)和塑性(高达8%的永久变形)和高强度。该研究所展示的结构结构策略也为其他层状vdW工程陶瓷的开发提供了启示,同时提高了室温变形能力、强度、韧性和能量吸收。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07036-5

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