六角形氮化物的令人难以置信的韧性揭开 - “我们观察到的......是显着的!”

H-BN分支裂缝

二维六方氮化硼单晶(h-BN)在扫描电镜下出现了分支裂纹。莱斯大学和南洋理工大学的实验和计算模型显示,h-BN晶格不对称允许裂纹沿着分支路径,通过使裂纹更难以扩展,从而有效地使二维材料增韧。图片来源:J. Lou/Rice大学提供

2D材料抵抗Century骨折力学理论的裂缝和描述。

官方消息:六方氮化硼(h-BN)是二维材料中的“铁人”,如此抗裂,以至于它违背了一个世纪以来工程师们仍然用来测量韧性的理论描述。

“我们在这种材料中观察到的是显着的,”赖斯大学的Jun Lou说,A的Co-Convendders作者自然本周发布的文件。“没有人希望在2D材料中看到这一点。这就是为什么它如此令人兴奋。“

通过比较H-BN与其更了解的表弟的裂缝韧性来解释发现的重要性石墨烯.。在结构上,石墨烯和H-BN几乎相同。在每个中,原子布置在互连六边形的平坦格子中。在石墨烯中,所有原子是碳,在H-BN中,每六边形含有三个氮和三个硼原子。

H-BN中的内在增韧

新加坡南洋科技大学的计算模拟有助于解释2D六边形氮化硼的意外断裂韧性。材料的内在韧性产生的原子结构(左)中的略微不对称,这产生了移动裂缝的永久趋势,以遵循支链路径(右)。信用:图片由H. Gao / NTU提供

石墨烯中的碳碳键是自然界中最强的,这应该使石墨烯成为周围最坚硬的材料。但这里有一个陷阱。即使只有几个原子不正常,石墨烯的表现也会从非凡变成平庸。而在现实世界中,没有一种材料是无缺陷的,Lou说,这就是为什么断裂韧性——或抗裂缝增长——在工程中如此重要:它描述了真实世界的材料在失效前能承受多大的惩罚。

“我们七年前衡量了石墨烯的骨折韧性,它实际上并不是很耐骨折,”娄说。“如果在晶格中有一个裂缝,那么小的负荷就会破坏那种材料。”

总之,石墨烯是脆弱的。英国工程师A.A.格里菲斯于1921年公布了对骨折力学的裂缝理论研究,描述了脆性材料的失效。格里菲斯的工作描述了材料裂缝大小与使裂缝生长所需的力量之间的关系。

朱娄和博佑张

赖斯大学材料科学家的实验Jun Lou(左)和Boyu张表明2D六边形氮化硼令人惊讶地抗裂。信用:照片由杰夫菲特洛/赖斯大学

Lou在2014年的研究表明,石墨烯的断裂韧性可以用Griffith的时间检验标准来解释。考虑到氢氮化硼的结构与石墨烯相似,人们预计它也会很脆。

那不是这种情况。六角形氮化物的骨折抗性比石墨烯高约10倍,而H-BN在骨折试验中的行为如此出乎意料,它蔑视GRIFFITH的公式描述。恰恰相同,它表现如何以及为什么在Lou的Lab在Lou的实验室中占据了超过1,000小时的实验,同等艰苦的理论工作在新加坡南洋科技大学(NTU)的联合作者华剑高。

“这是什么让这项工作如此令人兴奋的是,它揭示了一种在据说完美的脆性材料中的内在增韧机制,”高说。“显然,即使格里菲斯也无法预见两种具有相似原子结构的脆性材料的这种巨大不同的骨折行为。”

六边形氮化物

在石墨烯和六边形氮化硼(H-BN)原子中,原子布置在互连六边形的平坦格子中。在石墨烯中,所有原子都是碳。在H-BN中,每六边形含有三个氮和三个硼原子。信誉:赖斯大学的图片

LOU,GAO和同事追踪了较大的不同材料行为,以略微不对称,由H-BN包含两个元素而不是一个元素。

“硼和氮是不一样的,所以即使你有这个六边形,而且由于这种不对称的安排,它并不像碳六角形(石墨烯),”娄说。

他说,理论描述的细节是复杂的,但是果实是H-BN的裂缝具有分支和转弯的趋势。在石墨烯中,裂缝的尖端穿过材料,像拉链一样打开粘合。但H-BN中的晶格不对称产生了“分支”的“分叉”。

“如果裂缝是分支的,那意味着它正在转弯,”娄说。“如果有这种转向裂缝,它基本上成本额外的能量进一步推动裂缝。因此,您可以通过使裂缝繁殖更难实现您的材料。“

小君卢

朱茹。信用:照片由杰夫菲特洛/赖斯大学

高说,“内在晶格不对称赋予H-BN具有永久性倾向,使移动裂缝分支出来,就像一艘已经失去了她的滑雪者或他保持平衡姿势的能力直接向前移动。”

由于其耐热性,化学稳定性和介电性能,六方硼氮化物已经是2D电子和其他应用的极其重要的材料,其允许其用作电子元件之间的支撑基座和绝缘层。娄说,H-BN的令人惊讶的韧性也可以使其成为为从2D材料制成的柔性电子产品添加抗撕裂性的理想选择,这往往是脆性的。

“基于材料的2D材料的利基地区是柔性装置,”娄说。

他说,除了像电子纺织品这样的应用外,2D电子设备也足够薄,可以用于更奇特的应用,比如电子纹身和可以直接连接到大脑的植入物。

Boyu张

博义张。信用:照片由杰夫菲特洛/赖斯大学

“对于这种类型的配置,当您在弯曲时,您需要确保材料本身在机械上是机械稳健的,”娄说。“那个H-BN是如此破裂是2D电子社区的好消息,因为它可以使用这种材料作为非常有效的保护层。”

高说,这些发现也可能为通过工程结构不对称制造坚韧的机械超材料指明了一条新途径。

“在极端载荷下,骨折可能是不可避免的,但它可以通过结构设计减轻其灾难性的影响,”高说。

娄是材料科学和纳米工程中的教授和副部长,以及米饭的化学教授。yabovip2021高于NTU的工程和科学学校的杰出大学教授。

米饭附属的共同作者是盈科杨,现在是缅因大大学助理教授朝王,现在在中国哈尔滨工业大学,博致张。其他共同作者包括布朗大学的Bo Ni;中国清华大学小安李;广园陆,清华张,林古和孝感中国科学院;新加坡及以前在清华和棕色的科学,技术和研究机构中歌曲。

参考:2021年6月2日,自然
DOI:10.1038 / S41586-021-03488-1

该研究得到了能源部(DE-SC0018193)的支持,并就国家科学基金会的极端科学和工程探测环境(Brown University的计算和可视化中心)提供的资源进行了模拟。

是第一个评论在“六角形氮化物的令人难以置信的韧性揭开 - ”我们观察到的......是显着的!“”

发表评论

电子邮件地址是可选的。如果提供的话,您的电子邮件不会发布或共享。