特別說明：本文由米測技術中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
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扭轉角的引入打破了晶體結構固有的對稱性，并且常常引起物理性質的獨特變化，由范德華材料中扭曲堆疊形成的莫爾超晶格已成為探索強相關材料物理和其他新興現(xiàn)象的新平臺。
然而，通過改變vdW層狀材料的扭轉角提高機械性能仍存在以下問題：
1、缺乏對扭轉層范德華材料力學性能的研究
盡管在氮化硼等vdW陶瓷材料的層狀結構中引入扭曲可能會對塊體陶瓷的變形能力和強度產生顯著影響，但由于缺乏合適的制造三維塊體材料的策略，目前仍然缺乏對扭轉層范德華材料力學性能的研究。
2、在大塊致密陶瓷中實現(xiàn)室溫變形能力仍是一個艱巨的挑戰(zhàn)
工業(yè)中廣泛使用的塊狀六方氮化硼陶瓷很脆，抗壓強度較低，且只能承受非常有限的彈性變形，在微/納米級陶瓷單晶和寡晶中觀察到較大的室溫彈性和塑性，但在大塊致密陶瓷中實現(xiàn)類似的室溫變形能力仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。
有鑒于此，燕山大學田永君院士和趙智勝教授等人成功合成了具有高室溫變形能力和強度的多晶氮化硼塊體陶瓷。這種陶瓷是由洋蔥狀氮化硼納米前驅體通過傳統(tǒng)的放電等離子燒結和熱壓燒結合成的，由互鎖的層壓納米板組成，其中平行的薄片以不同的扭轉角度堆疊在一起。這種塊體陶瓷斷裂前的壓縮應變可達14%，比傳統(tǒng)陶瓷高出一個數(shù)量級左右，而抗壓強度約為普通六方氮化硼層狀陶瓷的六倍。優(yōu)異的機械性能是由于納米板中扭曲分層的高內在變形能力和三維互鎖結構的組合，限制了變形在單個納米板中的傳播。這種扭曲層氮化硼塊體陶瓷的出現(xiàn)為制備高度可變形的塊體陶瓷打開了新視角。
技術方案：
1、研究了塊體陶瓷的合成過程與微觀結構
作者分析了合成過程，表明在1800°C下oBN完全轉變?yōu)閔BN，而在1,600°C下燒結的陶瓷中還存在除六方氮化硼以外的一些亞穩(wěn)態(tài)結構，證實了層壓納米板是由扭曲堆疊的納米片形成的。
2、證實了塊體陶瓷卓越的機械性能
作者通過室溫單軸壓縮測試證明了TS-BN塊體陶瓷優(yōu)異的機械性能，表明其具有高工程應變、高抗壓強度和永久塑性變形。
3、解析了塊體陶瓷的變形機制
作者解析了了TS-BN中扭曲堆疊對Ξ的影響，根據(jù)實驗和計算結果，作者將TS-BN優(yōu)異的機械性能歸因于本質上容易的層間滑移，可顯著降低局部應力集中，以及三維聯(lián)鎖納米結構。
技術優(yōu)勢：
1、將塊體陶瓷壓縮應變提高1個數(shù)量級，抗壓強度提高6倍
作者采用傳統(tǒng)的放電等離子燒結和熱壓燒結，由洋蔥狀氮化硼（oBN）納米粒子合成了扭曲層塊體陶瓷。這種扭曲層塊狀陶瓷在室溫下表現(xiàn)出高達14%的壓縮應變、高達8%的永久變形和高強度。
2、同時實現(xiàn)了陶瓷的高室溫變形能力和高強度
作者定義了變形因子Ξ=(Ec/Es)(1/Y)，認為在vdW材料中，引入扭曲堆疊可能會增加層間距，增加變形因子，因此同時在納米板中引入扭曲層狀結構并構建三維互鎖納米結構，同時獲得了高室溫變形能力、塑性和高強度。
技術細節(jié)
合成與微觀結構
oBN前驅體由亂層嵌套的BN球殼組成，具有豐富的褶皺和堆垛層錯，通過 SPS將oBN前驅體燒結成一系列塊體陶瓷。隨著燒結溫度的升高，燒結陶瓷的密度增加，直到在2.08?gcm?3左右飽和。XRD表明從oBN到類hBN層狀結構的相變，拉曼光譜表明在1800°C下oBN完全轉變?yōu)閔BN，而在1,600°C下燒結的陶瓷中還存在除六方氮化硼以外的一些亞穩(wěn)態(tài)結構。STEM表明在1,600至1,800°C溫度下燒結的陶瓷由板狀顆粒組成，平均晶粒尺寸隨著燒結溫度的升高而增大。HAADF-STEM結果表明，納米板由多個納米切片組成，共享相同的基面，但圍繞基面法線相對彼此扭曲不同角度。作者將這種BN陶瓷稱為TS-BN陶瓷，以強調層壓納米板是由扭曲堆疊的納米片形成的。
圖 SPS制備塊體陶瓷的XRD圖譜和微觀結構
卓越的機械性能
室溫單軸壓縮測試證明了TS-BN塊體陶瓷優(yōu)異的機械性能。1,600°C燒結5分鐘的TS-BN（TS-BN-I）在斷裂前表現(xiàn)出高達14%的高工程應變，比六方氮化硼陶瓷和其他陶瓷（約 1%）高出近一個數(shù)量級。伴隨著大的軸向應變，出現(xiàn)了大的橫向膨脹，高達7 %左右。抗壓強度達到626?MPa，是hBN納米片燒結陶瓷和其他商業(yè)hBN陶瓷的5~10倍。對TS-BN-I陶瓷進行循環(huán)單軸壓縮試驗，表明其存在不可逆的永久塑性變形。在滯彈性變形階段，耗散能隨應力線性增加，達到1.0?MJ?m?3左右，最大應力為300?MPa。這比多晶石墨高一個數(shù)量級，并且略高于Ti3SiC2。隨著壓應力較高，耗散能突然增加至最大值 45?MJ?m?3，并引入塑性變形。該值比商業(yè)六方氮化硼陶瓷高兩個數(shù)量級，并且顯著高于其他工程陶瓷。
圖 SPS制備TS-BN陶瓷的超高室溫變形能力和強度
變形機制
作者探究了TS-BN中扭曲堆疊對Ξ的影響，DFT計算表明，相鄰BN層之間的扭曲可以使Es降低兩個數(shù)量級，而對Ec或Y影響很小。因此，與hBN相比，Ξ大幅增加。通過研究壓縮斷裂后TS-BN陶瓷的微觀結構，進一步探討了變形機制，結果表明三維塊狀TS-BN是一種以互鎖納米板為特征的納米結構材料。根據(jù)實驗和計算結果，作者將TS-BN優(yōu)異的機械性能歸因于本質上容易的層間滑移，可顯著降低局部應力集中，以及三維聯(lián)鎖納米結構，通過單個納米板內的扭結、分層和裂變限制脆性變形，從而提供外在約束。作者還建立了SPS燒結參數(shù)、微觀結構和機械性能之間的關系。
圖 TS-BN陶瓷超高變形能力和強度的由來
圖 TS-BN陶瓷的變形模式
展望
總之，通過在納米板中引入扭曲層狀結構并構建三維互鎖納米結構，實現(xiàn)了 vdW BN陶瓷的高變形性、塑性和強度。通過添加BN或碳納米纖維或納米管，以及添加第二陶瓷相，預計扭層陶瓷的韌性和強度將得到進一步提高。塑性變形的實現(xiàn)，表明陶瓷可以真正實現(xiàn)類似于金屬的永久變形，而不發(fā)生斷裂。這項研究中展示的結構體系策略也為其他層狀VDW工程陶瓷的開發(fā)提供了啟示，這些陶瓷同時增強了室溫變形能力、強度、韌性和能量吸收。
參考文獻：
Wu, Y., Zhang, Y., Wang, X. et al. Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength. Nature 626, 779–784 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07036-5
