Metall. Mater. Trans. A：尺寸和晶體取向4H-SiC微/納米柱力學行為的影響

【引言】

陶瓷材料通常是脆性的，在機械載荷超過其彈性極限后會遭受災難性斷裂。已有研究表明：脆—韌性轉變（BDT）可能在陶瓷高溫變形時發生，也可能在樣品室溫變形時，受到高的靜水壓力時發生。BDT的潛在機制被認為是結構轉換（非晶化或相變）和/或者位錯運動。最近的小尺度力學研究表明：除了溫度和壓力兩個影響因素外，將材料外部尺寸減小到微米或納米級別，也可以實現陶瓷材料的增韌。此方面的研究表明，小體積陶瓷的塑性變形取決于試樣的尺寸和其晶體取向，即在滑移系上的分切應力。然而，樣品尺寸及其晶體取向是否對其力學行為有綜合影響，還不得而知。

【成果簡介】

近日，上海交通大學材料學院張荻教授和郭強特別研究員（共同通訊）等團隊在Metallurgical and Materials Transactions A上發表題為“Size and Crystallographic Orientation Effects on the Mechanical Behavior of 4H-SiC Micro-/nano-pillars ”的文章。研究人員對直徑范圍在2~0.25微米的單晶4H-SiC微米/納米柱進行單軸壓縮試驗，結果表明：在基面滑移系中零分切應力的一組樣品全部以脆性方式斷裂，沒有顯示出任何塑性變形的跡象，并且它們的斷裂強度具有較大的分散性，沒有表現出明顯的尺寸依賴性。相反，非零分切應力的樣品組具有明顯的“更小更強”的特性，并且直徑小于0.5μm的微柱的變形表現出由不連續應變爆發組成的鋸齒形塑性流動。透射電子顯微鏡分析表明，這些現象出現的原因，是基面上的位錯滑移以及微柱內可能存在的均勻位錯形核。

【圖文導讀】

圖1.θ₀型微柱變形前后的SEM圖（柱指柱軸平行[0001]方向）

(a),(b),(c)分別為變形前直徑為2.2μm,1.0μm,0.5μm的θ₀型微柱。

(d)(e)(f)分別為變形后直徑為2.2μm,1.0μm,0.5μm的θ₀型微柱。

圖2.θ₀及θ₄₅微柱的真應力應變曲線及其斷裂應力與直徑關系圖

(a) 沿[0001]方向取向的單晶4H-SiC柱（“θ₀微柱”）的真應力 - 真應變曲線圖。

(b) θ₀微柱的斷裂應力與其直徑的關系。

(c) 相對于[0001]方向取向為45°的4H-SiC微柱（“θ₄₅微柱”）的真應力—真應變曲線圖。

(d)θ₄₅微柱的斷裂應力與其直徑的關系。

圖3.0.5μm和0.25 μm直徑的θ₄₅微柱真應力應變曲線及變形前后SEM圖

(a)直徑為0.5μm的θ₄₅柱的真應力應變圖。

(b)直徑為0.25μm的θ₄₅柱真應力應變圖。

(c)直徑0.5μm的θ₄₅柱變形前形貌。

(d)直徑0.5μm的θ₄₅柱變形后形貌。

(e)直徑 0.25μm的θ₄₅柱變形前形貌。

(f)直徑0.25μm的θ₄₅柱變形后形貌。

(g) 直徑0.25μm的θ₄₅柱變形后的局部放大圖。

圖4.θ₄₅微柱明暗場透射電鏡圖

(a)在兩個光束條件下從[82-103]晶帶軸和(-1102)衍射矢量獲得的直徑0.5μm的θ₄₅微柱的明場像(BF)。

(b)在兩個光束條件下從[82-103]晶帶軸和(-1102)衍射矢量獲得的直徑0.5μm的θ₄₅微柱的暗場像(DF)。

(c)在兩個光束條件下從[40-41]晶帶軸和(1-210)衍射矢量獲得的直徑0.5μm的θ₄₅微柱暗場像。

(f)在兩個光束條件下從[30-91]晶帶軸和(10-1-6)衍射矢量獲得的直徑0.25μm的θ₄₅微柱的明場像。

(g)在兩個光束條件下從[30-91]晶帶軸和(10-1-6)衍射矢量獲得的直徑0.25μm的θ₄₅微柱的暗場像。

(h)從[30-91]晶帶軸和(01-1-3)衍射矢量獲得的直徑0.25μm的θ₄₅微柱的暗場像。

注：DL_P和DA分別表示位錯環和位錯列。

【小結】

該研究對不同直徑和晶體學取向的單晶4H-SiC微/納米柱的變形行為進行表征分析。單軸壓縮實驗表明，小尺度陶瓷微柱的變形表現出由離散應變爆發構成的不連續塑性流動。塑性變形柱的TEM結果揭示了試樣內部的均勻位錯形核現象和基面滑移現象。這項工作為小尺寸陶瓷材料的力學行為提供了實驗證據，對其形變機制的研究有重要的意義。

文獻鏈接：Size and Crystallographic Orientation Effects on the Mechanical Behavior of 4H-SiC Micro-/nano-pillars (Metall. Mater. Trans. A,2017,DOI: 10.1007/s11661-017-4426-x)

本文由材料人編輯部新人組熊富豪編輯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。

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