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清华大学航天航空学院李晓雁课题组揭示含不同多型体纳米孪晶金刚石的增韧和裂纹愈合机制
2021-08-11 14:06
清华大学
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  金刚石是人类目前已知的最坚硬的材料,由于其具有超高的硬度、优越的不可压缩性和耐磨性,因此在科学和工业领域有着广泛的应用。但是,金刚石是一种脆性材料,其断裂韧性较差,严重影响了由金刚石制成的各类工具的使用寿命。最近的一些实验研究表明,在金刚石中引入纳米孪晶和非3C相的多型体结构,有助于同时提高金刚石的硬度和韧性,从而解决金刚石材料无法兼具超硬超韧的科学难题。但是,纳米孪晶和多型体结构如何有助于增韧,其背后的物理机制一直是未知的。

  8月6日,清华大学航天航空学院李晓雁教授课题组在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上在线发表了题为“含不同多型体纳米孪晶金刚石的增韧和裂纹愈合机制”(Toughening and crack healing mechanisms in nanotwinned diamond composites with various polytypes)的研究论文。通过大规模分子动力学方法,并结合断裂力学理论,李晓雁团队从原子尺度上揭示了含不同多型体纳米孪晶金刚石的增韧和裂纹愈合机制,为设计和制备强韧协同的新型超硬材料提供了重要的理论基础。

  李晓雁团队首先建立了含有多种多型体结构和纳米孪晶的原子模型,然后采用大规模分子动力学方法模拟了裂纹在含不同多型体纳米孪晶金刚石中的扩展,研究了裂纹与纳米孪晶以及多型体之间的相互作用,并基于断裂力学理论定量计算了含不同多型体纳米孪晶金刚石的能量释放率(表征材料的断裂韧性),同时分析了纳米孪晶和不同多型体对于增韧的贡献。大规模分子动力学模拟结果揭示了三种典型的增韧机制:孪晶界和多型体的相界能够有效地阻碍裂纹的扩展,导致裂尖前方非局域化的塑性变形;裂纹在孪晶区或多型体区域会发生偏折,形成之字形或蜿蜒的裂纹扩展路径;裂尖的高应力水平导致裂尖区域发生相变,形成无序的原子链团簇。同时,分子动力学模拟结果展示了在卸载过程中,表面相对光滑的裂纹会发生逐渐愈合。这一裂纹愈合行为与卸载过程中裂纹表面的共价键重新形成有一定的关联,并且愈合的程度依赖于裂纹表面的光滑程度。这一裂纹愈合行为表明,相比于传统的金刚石,含不同多型体纳米孪晶金刚石具有更长的使用寿命。

裂纹在含多型体纳米孪晶金刚石中的扩展行为:A 含纳米孪晶,B 含纳米孪晶和多型体结构

  近年来,李晓雁课题组主要从事新型微纳米结构材料的构筑设计、先进制备和力学行为研究,在相关领域取得了多项重要的研究成果。该论文第一作者为清华大学航院博士生曾永攀,论文的通讯作者为李晓雁教授。该论文得到了国家自然科学基金的大力支持。

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