浙江大学《MT》IF=31.041：通过实现准均匀表面位错成核达到其理论极限强度！

2022-05-16 16:45:34 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

随着纳米技术的快速发展和工业生产精度的提高，具有大比表面积的陶瓷纳米粒子在医学、物理、光学和电子等广泛领域越来越受到关注。在这些领域的成功应用陶瓷纳米材料需要深入了解其在任何外力作用下的结构稳定性基础知识，这通常与单个颗粒的形状、尺寸和表面条件高度相关，陶瓷纳米材料的力学性能在过去几十年中一直是广泛研究的主题。

与在合成过程中预先存在的位错是不可避免的块状材料不同，由于体积极小和接近平衡的晶体生长，纳米材料通常具有更少甚至为零的缺陷。因此，位错成核在纳米材料的变形中起着至关重要的作用。了解位错成核机制是控制无缺陷试样力学性能的关键。位错成核很大程度上取决于表面条件。例如，分子动力学（MD）模拟表明，表面粗糙度可以导致不同的变形机制，其中表面上的原子台阶会产生应力梯度并充当缺陷的优选成核位置，从而导致分散的流动应力，而如果表面波动不均匀，形核应力的变化可能会很大。然而，对原始晶体表面位错形核的定量研究一直具有挑战性。关于位错形核的研究大多基于计算和原子模拟，缺乏实验资料和证据。如何通过调节这种表面形核控制塑性，并通过实验调节表面条件来优化陶瓷NPs的力学性能和结构稳定性，仍然是一个有趣的且有待探索的问题。

浙江大学材料科学与工程系QianYu与西安交通大学BoyuLiu等研究人员选择 MgO 作为研究对象进行原位压缩测试。研究发现，原始 MgO NP 表面不平整，导致应力集中、负载下的异质位错成核，因此MgO NP在强度远低于理论强度时失效。通过电子辐照进行表面处理后，可以在表面上均匀地形成致密的纳米结构。表面处理使表面原始缺陷均匀化，不仅防止了应力局部化，而且促进了多个表面位错形核。结果，改性的 MgO NPs 的强度几乎是原始的三倍。利用有限元方法模拟了不同表面条件下MgO纳米颗粒的应力状态。这表明，与分布稀疏的大凸块相比，具有紧密分布的小凸块的样品显示出更均匀的应力分布，这与实验结果一致。相关研究成果以“Reaching near-theoretical strength by achieving quasi-homogenous surface dislocation nucleation in MgO particles”发表在材料顶刊《Materials Today》上。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000931

材料的理论强度是使最初无缺陷的晶体变形所需的应力。它涉及在没有任何缺陷的完美晶体中均匀、无障碍地成核位错。在真实的纳米颗粒中，不平整表面的性质导致应力集中并提供主要的成核位置，这增加了纳米颗粒异质位错成核和结构不稳定性的可能性。由于应力集中已经将局部应力提高到足以在主要位置发生异质位错成核的程度，因此样品在相对较低的应力下屈服。常用的方法是通过减少缺陷来提高材料的强度极限。在这里，我们提出了一种替代方法，通过简单地使缺陷均匀化和小型化来提高强度。利用电子辐照使 MgO NPs 的原始粗糙表面具有纳米尺度的图案，使应力分布更加均匀，位错的形核更加均匀。在表面缺陷可以减少到纳米级并均匀分布的情况下，大量的形核位点可以同时进行，因此材料所能承受的外加应力会更高，甚至接近理论强度水平。通过有限元方法获得的模拟结果表明，与表面上具有大而稀疏的凸起的样品相比，表面上具有小而密集的凸起的样品显示出相对均匀的应力分布，这与实验结果一致。

图1所示：MgO 纳米颗粒的结构和形态表征。（a）聚集的 MgO 纳米粒子的 TEM 明场图像。（b）典型 MgO 纳米颗粒的 HRTEM 图像和沿 [100] 光束方向的相应快速傅里叶变换（FFT）图案。（c） MgO 纳米粒子的 STEM-HAADF 图像和 EDS 映射。（d） MgO 纳米粒子的 3D 断层扫描。

图2所示：电子束对MgO纳米粒子的影响。（a-b）电子辐照下MgO纳米颗粒表面纳米化的TEM时序图像。（c） HRTEM图（左）和TEM明场图（右）显示了电子辐照后大于100 nm的MgO纳米颗粒的形貌。d HRTEM图（左）和TEM明场图（右）显示了电子辐照后小于100 nm的MgO纳米颗粒的形貌。

图3所示： TEM 内对大于 100 nm 的 MgO 纳米颗粒进行的原位压缩测试。（a）直径为 320 nm、260 nm 和 200 nm 的 MgO 纳米颗粒的应力-应变曲线。（b）从影像 1、2 和 3 中捕获的 TEM 图像，显示了在压缩测试期间三个 MgO 纳米颗粒表面的位错异质成核。

其他模拟结果也支持表面形态确实对样品的应力分布有很大影响。Amodeo等人表明形状对 L12Ni3Al NP 强度的影响是显着的。对原始立方体颗粒的棱角进行平滑处理，可避免应力集中，起到强化作用。此外，Sharma 等人通过分子动力学模拟表明，均匀的应力分布会促进颗粒内部的均匀位错成核，这需要更高水平的外加应力才能达到临界分切应力。在我们的实验中，在电子辐照下形成的纳米结构使表面粗糙度均匀化，这减轻了应力集中并提高了均匀位错形核的概率，从而使 MgO NP 更强。此外，这些纳米结构产生的应力场也可以相互影响和相互作用。模型和仿真结果表明，粗糙体相互作用对力学行为起着重要的控制作用。表面粗化可以影响应力分布，从而抑制位错的形核和扩展。在粗糙表面成核的位错将保持在接近表面台阶的平衡位置并在表面附近保持被捕获，这将在表面附近产生薄的拉伸应力亚层，从而增加平均接触压力。

图4所示：在透射电镜中对小于100 nm的MgO纳米颗粒进行原位压缩试验。（a） 60 nm（无涂层）和80 nm（有涂层）MgO纳米颗粒的应力-应变曲线。（b）从影像4捕获的TEM图像，显示了小于100 nm的MgO纳米颗粒表面的位错均匀形核。（c）压缩试验后不同尺寸NPs的暗场和明场TEM图像，显示这些NPs内部产生了大量位错。（d）透射电镜（TEM）图像显示了在一个包覆碳的80 nmMgO纳米颗粒表面的位错异相形核。

图 5所示：在原位压缩试验中，当预先引入位错时，MgO NP 强度和连续变形能力较低。（a）载荷深度曲线。（b）从影像5和负载后变形的 NP （b6）捕获的时间序列 TEM 图像（b1-b5），显示了 MgO NP 的变形行为。MgO NP 的尺寸接近 136 nm。首先通过压缩 MgO NP 的一个角（红色循环的位置）引入位错。再次压缩 NP 以研究 MgO NP 与这些预先引入的位错的变形行为。

图6所示：不同表面凸块尺寸（r）和密度（L/r）的 MgO 模型样品的计算降低 Von-Mises 应力和塑性应变分布。

在我们的实验中，由于每次仅使用 TEM 中的电子束对每个粒子进行表面改性，因此剂量不足以影响大粒子。只有小于 100 nm 的小粒子才能被调谐。然而，这表明如果我们精确地调整表面粗糙度并均匀化表面缺陷，则可以实现表面上的准均匀位错成核并用于优化纳米材料的强度。更强的电子束可用于修改更大的样品，甚至可以通过设计更精确地写入表面纳米图案。与通过缺陷最小化来改善材料的传统范式相比，缺陷均质化是一种独特的策略。它为设计更坚固的材料开辟了一条新途径。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。