宋双喜揭示纳米晶陶瓷材料微观变形机制

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10月4日，国际权威期刊《Physical Review Letters》以“Grain boundary sliding and amorphization are responsible for the reverse Hall-Petch relation in superhard nanocrystalline Boron Carbide”为题，报道了上海交通大学材料科学与工程学院尖端物质结构研究中心进行国际合作的一项重要成果。上海交通大学为第二作者单位，论文通讯作者为Reddy特别研究员，共同第一作者为宋双喜特别副研究员。这项重要成果揭示了纳米晶陶瓷超硬材料的微观变形机制。

纳米晶碳化硼在纳米压痕变形区域的透射电子显微图像。（a）纳米压痕变形下的透射电子显微图像；（b）高分辨透射电子显微图像显示一个典型的晶界三叉点；（c）两个纳米晶粒的环形明场扫描透射（ABF-STEM）显微图像显示晶界处形成非晶带；（d）在A区和B区的EELS能谱图显示非晶区的碳/硼原子比率和晶粒内部的比率没有改变，揭示非晶带形成是由晶界滑移导致。

近年来对传统的脆性陶瓷材料研究发现，当陶瓷晶粒尺寸减小到纳米尺度时会发生反霍尔-佩奇（Hall-Petch）效应，为提高陶瓷材料的塑性提供了可能的途径。然而对于纳米晶陶瓷的微观变形机制尚未明确。因而，上海交通大学尖端物质研究中心团队和美国内华达大学化学与材料工程系团队合作，通过结合反应分子动力学（RMD）计算机模拟方法和超高分辨透射电子显微实验表征方法对纳米晶碳化硼（B4C）材料的原子尺度变形机制进行了系统的研究。在370万个原子构建的碳化硼大型反应分子动力学模拟中，对4.84纳米到14.64nm的三种不同晶粒尺寸纳米晶陶瓷材料进行有限剪切变形计算，结果显示了其变形行为符合反霍尔-佩奇效应，并且模拟结果表明其变形机制是以晶界滑移为主导。纳米晶陶瓷内部晶界滑移变形导致了在预变形的二十面体晶界区域形成非晶剪切带及空洞。模拟结果进一步通过超高分辨透射电子显微表征和纳米压痕微观力学测试证实，在纳米压痕变形区域制备出的透射电子显微样品，并利用超高分辨透射电子显微像观察到了因晶界滑移而产生的晶粒间非晶晶界相结构。该工作的合作者包括美国内华达大学的Dezhou Guo（共同第一作者），Qi An（共同通讯作者），加州理工大学的Goddard III教授。其他作者还包括上海交通大学陈明伟教授和博士生罗瑞春。

该工作得到国家自然科学基金（51850410501），国家重点基础研究发展计划（973）项目（2015CB856800）以及美国自然科学基金（CMMI-1727428）和美国原子能管理委员会（NRC-HQ-84-15-G-0028）的经费支持。