2024年燕山大學再發Nature

2024年2月21日，燕山大學趙智勝及田永君共同通訊在Nature在線發表題為“Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength”的研究論文，該研究成功合成了一種具有高室溫變形能力和高強度的多晶氮化硼體陶瓷。

這種陶瓷是由洋蔥狀氮化硼納米遞質通過傳統的火花等離子燒結和熱壓燒結合成的，由互鎖的層狀納米闆組成，其中平行的層狀納米闆以不同的扭曲角度堆疊。該塊體陶瓷的斷裂前壓縮應變可達14%，比傳統陶瓷(一般小于1%)高一個數量級，而抗壓強度是普通六方氮化硼層狀陶瓷的6倍左右。這種特殊的機械性能是由于納米闆中扭曲層的固有變形能力的提高和三維互鎖結構的結合，限制了變形在單個納米闆上的傳播。這種扭曲層氮化硼體陶瓷的出現為高度可變形體陶瓷的制造打開了大門。

2024年1月3日，燕山大學田永君、徐波及胡文濤共同通訊在Nature在線發表題為“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”的研究論文，該研究報告了在室溫下金剛石中六種ITB構型和結構轉變的原子觀察，顯示了不同于金屬系統的位錯介導機制。主導ITBs不對稱且流動性較差，對納米孿晶金剛石的連續硬化起着重要作用。該研究讨論了ITB活動的潛在驅動力。總之，該研究結果揭示了金剛石和共價材料中GB的行為，指出了開發高性能納米孿晶材料的新策略。

由層狀範德瓦爾斯(vdW)晶體片沿堆疊方向進行輕微的相對旋轉(扭轉角)而形成的莫爾維爾超晶格，促使人們對強相關物理進行了深入的研究。扭轉角的引入打破了晶體結構固有的對稱性，常常導緻物理性質的獨特變化。例子包括魔角雙層和多層石墨烯中的超導性，以及源自兩個微扭曲六方氮化硼(hBN)薄晶體之間界面的類鐵電疇。理論模拟預測，調整二維過渡金屬二硫化物的扭轉角可能會導緻自旋液态、量子反常霍爾效應和手性d波超導等新的物理現象。除了這些新的物理現象外，實驗觀察還表明，通過改變vdW層狀材料的扭轉角度可以改變其力學性能。例如，扭曲的雙層二硫化钼顯示出明顯的摩擦降低，微尺度石墨可以在大範圍的雙晶扭曲角度下保持超潤滑。這些發現表明，在BN等vdW陶瓷材料中，層狀結構中引入扭轉可能會對體陶瓷的變形能力和強度産生顯著影響。

hBN是一種具有層狀晶體結構的典型vdW材料。在室溫下，工業上廣泛使用的塊狀hBN陶瓷是脆性的，抗壓強度低，約為100 Mpa，在災難性破壞之前可以承受非常有限的彈性變形(通常在1%的水平)。通過添加各種助燒劑或增強相，可以在一定程度上提高hBN陶瓷的強度，但對變形性能的改善不大。實驗中，在微/納米尺度的陶瓷單晶和寡晶中，如金剛石、AlN、TiO2、Si3N4和ZrO2中觀察到較大的室溫彈性和塑性。然而，在塊狀緻密陶瓷中實現類似的室溫可變形性仍然是一個艱巨的挑戰。

SPS制備的塊狀陶瓷的XRD圖譜和微觀結構（圖源自Nature）

最近有人提出，無機vdW材料的可變形性可以根據三個關鍵因素來評估：允許層間滑動的低滑動能(Es)，在滑動過程中保持層間完整性的高解理能(Ec)，以及确保層内柔性的合适的面内楊氏模量(Y) 。這三個參數可以組合定義變形系數Ξ= (Ec/Es)(1/Y) 。在vdW材料中，引入扭曲堆積可以增加層間間距，從而降低Es，從而提高變形系數。

該研究報道了由三維互鎖BN納米片組成的塊體BN陶瓷的合成，其vdW層形成具有不同扭曲角度的層狀結構。以洋蔥狀氮化硼納米顆粒為原料，采用傳統的火花等離子燒結(SPS)和熱壓燒結技術合成了扭曲層體陶瓷。這種扭曲層體陶瓷在室溫下表現出優異的變形能力(高達14%的壓縮應變)和塑性(高達8%的永久變形)和高強度。該研究所展示的結構結構策略也為其他層狀vdW工程陶瓷的開發提供了啟示，同時提高了室溫變形能力、強度、韌性和能量吸收。

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

來源：iNature