今日Nature:六方氮化硼的本征增韌和穩定的裂紋傳播

CYM 2年前 (2021-06-03) 3074瀏覽

【引言】

如果散裝材料能夠承受高負載而不會發生任何不可逆轉的損壞（例如塑性變形），則其通常很脆，且可能會發生災難性的破壞。這種強度和斷裂韌性之間的折衷也延伸到了二維材料空間。例如，石墨烯具有超高的內在強度（約 130 GPa）和彈性模量（約 1.0 terapascal），但很脆，斷裂韌性低。表面彈性效應在散裝材料中幾乎可以忽略不計。然而，在具有大表面積體積比的低維結構中，例如納米粒子 (0D)、納米線 (1D) 和原子薄片 (2D)，這種效應可能很重要。實驗觀察和相場分析已經證實，當Al納米粒子的尺寸低于20nm時，表面應力誘導的預熔化會低于其熔融溫度。使用分子動力學（MD）模擬研究表明，當Au納米線的橫截面面積降低到4nm時，表面應力可以產生自發的相變（從面心立方到體心四方）。在像石墨烯這樣的二維材料中，由于邊緣應力的存在（類似于晶體中的表面應力），會發生邊緣不穩定。六方氮化硼 (h-BN) 是一種介電二維材料，具有與石墨烯相似的高強度（約 100 GPa）和彈性模量。根據格里菲斯定律，其斷裂行為長期以來一直被假定為同樣脆。

今日，美國萊斯大學樓峻教授和新加坡A*STAR高性能計算研究院高華健（共同通訊作者）報告了單晶單層 h-BN 優異的斷裂韌性，其有效能量釋放率比格里菲斯能量釋放率和石墨烯報告的能量釋放率高一個數量級，以及由其晶格結構的不對稱性質引起的潛在增韌機制。作者在單層 h-BN 中觀察到穩定的裂紋傳播，并獲得相應的抗裂性曲線。在裂紋傳播過程中，由于裂紋尖端邊緣彈性的不對稱特性，裂紋變形和分支反復發生，這從本質上增強了材料并實現了穩定的裂紋傳播。進一步結合理論分析和原位實驗表明，單層 h-BN 具有額外的實際效益和潛在的新技術機會，例如為二維器件增加機械保護。相關研究成果以“Intrinsic toughening and stable crack propagation in?hexagonal boron nitride”為題發表在Nature上。