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浙江大學(xué)《MT》IF=31.041：通過(guò)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)均勻表面位錯(cuò)成核達(dá)到其理論極限強(qiáng)度！

2022-05-16 16:45:34 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)精度的提高，具有大比表面積的陶瓷納米粒子在醫(yī)學(xué)、物理、光學(xué)和電子等廣泛領(lǐng)域越來(lái)越受到關(guān)注。在這些領(lǐng)域的成功應(yīng)用陶瓷納米材料需要深入了解其在任何外力作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性基礎(chǔ)知識(shí)，這通常與單個(gè)顆粒的形狀、尺寸和表面條件高度相關(guān)，陶瓷納米材料的力學(xué)性能在過(guò)去幾十年中一直是廣泛研究的主題。

與在合成過(guò)程中預(yù)先存在的位錯(cuò)是不可避免的塊狀材料不同，由于體積極小和接近平衡的晶體生長(zhǎng)，納米材料通常具有更少甚至為零的缺陷。因此，位錯(cuò)成核在納米材料的變形中起著至關(guān)重要的作用。了解位錯(cuò)成核機(jī)制是控制無(wú)缺陷試樣力學(xué)性能的關(guān)鍵。位錯(cuò)成核很大程度上取決于表面條件。例如，分子動(dòng)力學(xué) （MD）模擬表明，表面粗糙度可以導(dǎo)致不同的變形機(jī)制，其中表面上的原子臺(tái)階會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力梯度并充當(dāng)缺陷的優(yōu)選成核位置，從而導(dǎo)致分散的流動(dòng)應(yīng)力，而如果表面波動(dòng)不均勻，形核應(yīng)力的變化可能會(huì)很大。然而，對(duì)原始晶體表面位錯(cuò)形核的定量研究一直具有挑戰(zhàn)性。關(guān)于位錯(cuò)形核的研究大多基于計(jì)算和原子模擬，缺乏實(shí)驗(yàn)資料和證據(jù)。如何通過(guò)調(diào)節(jié)這種表面形核控制塑性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)表面條件來(lái)優(yōu)化陶瓷NPs的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，仍然是一個(gè)有趣的且有待探索的問(wèn)題。

浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系QianYu與西安交通大學(xué)BoyuLiu等研究人員選擇 MgO 作為研究對(duì)象進(jìn)行原位壓縮測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，原始 MgO NP 表面不平整，導(dǎo)致應(yīng)力集中、負(fù)載下的異質(zhì)位錯(cuò)成核，因此MgO NP在強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度時(shí)失效。通過(guò)電子輻照進(jìn)行表面處理后，可以在表面上均勻地形成致密的納米結(jié)構(gòu)。表面處理使表面原始缺陷均勻化，不僅防止了應(yīng)力局部化，而且促進(jìn)了多個(gè)表面位錯(cuò)形核。結(jié)果，改性的 MgO NPs 的強(qiáng)度幾乎是原始的三倍。利用有限元方法模擬了不同表面條件下MgO納米顆粒的應(yīng)力狀態(tài)。這表明，與分布稀疏的大凸塊相比，具有緊密分布的小凸塊的樣品顯示出更均勻的應(yīng)力分布，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。相關(guān)研究成果以“Reaching near-theoretical strength by achieving quasi-homogenous surface dislocation nucleation in MgO particles”發(fā)表在材料頂刊《Materials Today》上。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000931

材料的理論強(qiáng)度是使最初無(wú)缺陷的晶體變形所需的應(yīng)力。它涉及在沒(méi)有任何缺陷的完美晶體中均勻、無(wú)障礙地成核位錯(cuò)。在真實(shí)的納米顆粒中，不平整表面的性質(zhì)導(dǎo)致應(yīng)力集中并提供主要的成核位置，這增加了納米顆粒異質(zhì)位錯(cuò)成核和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的可能性。由于應(yīng)力集中已經(jīng)將局部應(yīng)力提高到足以在主要位置發(fā)生異質(zhì)位錯(cuò)成核的程度，因此樣品在相對(duì)較低的應(yīng)力下屈服。常用的方法是通過(guò)減少缺陷來(lái)提高材料的強(qiáng)度極限。在這里，我們提出了一種替代方法，通過(guò)簡(jiǎn)單地使缺陷均勻化和小型化來(lái)提高強(qiáng)度。利用電子輻照使 MgO NPs 的原始粗糙表面具有納米尺度的圖案，使應(yīng)力分布更加均勻，位錯(cuò)的形核更加均勻。在表面缺陷可以減少到納米級(jí)并均勻分布的情況下，大量的形核位點(diǎn)可以同時(shí)進(jìn)行，因此材料所能承受的外加應(yīng)力會(huì)更高，甚至接近理論強(qiáng)度水平。通過(guò)有限元方法獲得的模擬結(jié)果表明，與表面上具有大而稀疏的凸起的樣品相比，表面上具有小而密集的凸起的樣品顯示出相對(duì)均勻的應(yīng)力分布，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖1所示：MgO 納米顆粒的結(jié)構(gòu)和形態(tài)表征。（a）聚集的 MgO 納米粒子的 TEM 明場(chǎng)圖像。（b）典型 MgO 納米顆粒的 HRTEM 圖像和沿 [100] 光束方向的相應(yīng)快速傅里葉變換（FFT）圖案。（c） MgO 納米粒子的 STEM-HAADF 圖像和 EDS 映射。（d） MgO 納米粒子的 3D 斷層掃描。

圖2所示：電子束對(duì)MgO納米粒子的影響。（a-b）電子輻照下MgO納米顆粒表面納米化的TEM時(shí)序圖像。（c） HRTEM圖（左）和TEM明場(chǎng)圖（右）顯示了電子輻照后大于100 nm的MgO納米顆粒的形貌。d HRTEM圖（左）和TEM明場(chǎng)圖（右）顯示了電子輻照后小于100 nm的MgO納米顆粒的形貌。

圖3所示： TEM 內(nèi)對(duì)大于 100 nm 的 MgO 納米顆粒進(jìn)行的原位壓縮測(cè)試。（a）直徑為 320 nm、260 nm 和 200 nm 的 MgO 納米顆粒的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）從影像 1、2 和 3 中捕獲的 TEM 圖像，顯示了在壓縮測(cè)試期間三個(gè) MgO 納米顆粒表面的位錯(cuò)異質(zhì)成核。

其他模擬結(jié)果也支持表面形態(tài)確實(shí)對(duì)樣品的應(yīng)力分布有很大影響。Amodeo等人表明形狀對(duì) L12Ni3Al NP 強(qiáng)度的影響是顯著的。對(duì)原始立方體顆粒的棱角進(jìn)行平滑處理，可避免應(yīng)力集中，起到強(qiáng)化作用。此外，Sharma 等人通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，均勻的應(yīng)力分布會(huì)促進(jìn)顆粒內(nèi)部的均勻位錯(cuò)成核，這需要更高水平的外加應(yīng)力才能達(dá)到臨界分切應(yīng)力。在我們的實(shí)驗(yàn)中，在電子輻照下形成的納米結(jié)構(gòu)使表面粗糙度均勻化，這減輕了應(yīng)力集中并提高了均勻位錯(cuò)形核的概率，從而使 MgO NP 更強(qiáng)。此外，這些納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)也可以相互影響和相互作用。模型和仿真結(jié)果表明，粗糙體相互作用對(duì)力學(xué)行為起著重要的控制作用。表面粗化可以影響應(yīng)力分布，從而抑制位錯(cuò)的形核和擴(kuò)展。在粗糙表面成核的位錯(cuò)將保持在接近表面臺(tái)階的平衡位置并在表面附近保持被捕獲，這將在表面附近產(chǎn)生薄的拉伸應(yīng)力亞層，從而增加平均接觸壓力。

圖4所示：在透射電鏡中對(duì)小于100 nm的MgO納米顆粒進(jìn)行原位壓縮試驗(yàn)。（a） 60 nm（無(wú)涂層）和80 nm（有涂層）MgO納米顆粒的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）從影像4捕獲的TEM圖像，顯示了小于100 nm的MgO納米顆粒表面的位錯(cuò)均勻形核。（c）壓縮試驗(yàn)后不同尺寸NPs的暗場(chǎng)和明場(chǎng)TEM圖像，顯示這些NPs內(nèi)部產(chǎn)生了大量位錯(cuò)。（d）透射電鏡（TEM）圖像顯示了在一個(gè)包覆碳的80 nmMgO納米顆粒表面的位錯(cuò)異相形核。

圖 5所示：在原位壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)預(yù)先引入位錯(cuò)時(shí)，MgO NP 強(qiáng)度和連續(xù)變形能力較低。（a）載荷深度曲線。（b）從影像5和負(fù)載后變形的 NP （b6）捕獲的時(shí)間序列 TEM 圖像（b1-b5），顯示了 MgO NP 的變形行為。MgO NP 的尺寸接近 136 nm。首先通過(guò)壓縮 MgO NP 的一個(gè)角（紅色循環(huán)的位置）引入位錯(cuò)。再次壓縮 NP 以研究 MgO NP 與這些預(yù)先引入的位錯(cuò)的變形行為。

圖6所示：不同表面凸塊尺寸（r）和密度（L/r）的 MgO 模型樣品的計(jì)算降低 Von-Mises 應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布。

在我們的實(shí)驗(yàn)中，由于每次僅使用 TEM 中的電子束對(duì)每個(gè)粒子進(jìn)行表面改性，因此劑量不足以影響大粒子。只有小于 100 nm 的小粒子才能被調(diào)諧。然而，這表明如果我們精確地調(diào)整表面粗糙度并均勻化表面缺陷，則可以實(shí)現(xiàn)表面上的準(zhǔn)均勻位錯(cuò)成核并用于優(yōu)化納米材料的強(qiáng)度。更強(qiáng)的電子束可用于修改更大的樣品，甚至可以通過(guò)設(shè)計(jì)更精確地寫(xiě)入表面納米圖案。與通過(guò)缺陷最小化來(lái)改善材料的傳統(tǒng)范式相比，缺陷均質(zhì)化是一種獨(dú)特的策略。它為設(shè)計(jì)更堅(jiān)固的材料開(kāi)辟了一條新途徑。

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