今日Nature:六方氮化硼的本征增韧和稳定的裂纹传播

CYM 3年前 (2021-06-03) 3602浏览

【引言】

如果散装材料能够承受高负载而不会发生任何不可逆转的损坏（例如塑性变形），则其通常很脆，且可能会发生灾难性的破坏。这种强度和断裂韧性之间的折衷也延伸到了二维材料空间。例如，石墨烯具有超高的内在强度（约 130 GPa）和弹性模量（约 1.0 terapascal），但很脆，断裂韧性低。表面弹性效应在散装材料中几乎可以忽略不计。然而，在具有大表面积体积比的低维结构中，例如纳米粒子 (0D)、纳米线 (1D) 和原子薄片 (2D)，这种效应可能很重要。实验观察和相场分析已经证实，当Al纳米粒子的尺寸低于20nm时，表面应力诱导的预熔化会低于其熔融温度。使用分子动力学（MD）模拟研究表明，当Au纳米线的横截面面积降低到4nm时，表面应力可以产生自发的相变（从面心立方到体心四方）。在像石墨烯这样的二维材料中，由于边缘应力的存在（类似于晶体中的表面应力），会发生边缘不稳定。六方氮化硼 (h-BN) 是一种介电二维材料，具有与石墨烯相似的高强度（约 100 GPa）和弹性模量。根据格里菲斯定律，其断裂行为长期以来一直被假定为同样脆。

今日，美国莱斯大学楼峻教授和新加坡A*STAR高性能计算研究院高华健（共同通讯作者）报告了单晶单层 h-BN 优异的断裂韧性，其有效能量释放率比格里菲斯能量释放率和石墨烯报告的能量释放率高一个数量级，以及由其晶格结构的不对称性质引起的潜在增韧机制。作者在单层 h-BN 中观察到稳定的裂纹传播，并获得相应的抗裂性曲线。在裂纹传播过程中，由于裂纹尖端边缘弹性的不对称特性，裂纹变形和分支反复发生，这从本质上增强了材料并实现了稳定的裂纹传播。进一步结合理论分析和原位实验表明，单层 h-BN 具有额外的实际效益和潜在的新技术机会，例如为二维器件增加机械保护。相关研究成果以“Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride”为题发表在Nature上。