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《Nature Materials》刊发365体育直播化学学院郭林教授、岳永海教授团队与合作者的研究成果

点击数:    |    加入时间:2023-09-22

365体育直播新闻网9月22日电(通讯员 刘乃鹏)近日,北京航空航天大学化学学院郭林教授、岳永海教授团队与燕山大学田永君院士、聂安民教授团队在超硬共价键材料室温自修复研究领域取得重要研究进展。相关成果以“Self-healing of fractured diamond”为题,9月21日在线发表于《Nature Materials》期刊上。365体育直播化学学院博士生仇克亮、侯京朋,燕山大学博士生陈帅为论文共同第一作者。岳永海教授、聂安民教授、田永君院士、郭林教授为论文共同通讯作者,北京航空航天大学为第一完成单位。

金刚石不仅仅是自然界最硬的材料,还具有高透光性、高热导率、宽禁带等突出优势,有着广泛的应用前景,但是其固有脆性易引发灾难性故障,对以金刚石材料为关键部件的器件的可靠性和使用寿命构成了重大威胁。如何在保证金刚石超高硬度的同时提升其断裂韧性一直是个世界性难题。为此,2020年,郭林教授、岳永海教授团队和燕山大学田永君院士团队合作,通过在金刚石内部引入互锁的纳米晶粒、交织的纳米孪晶以及与孪晶共格的金刚石多型体等多级结构制备了一种全新的纳米孪晶金刚石复合材料,原位电子显微学实验结果显示叠层增韧、孪晶增韧以及相变增韧的协同作用使其断裂韧性提高到单晶金刚石的5倍以上,相关结果发表在当年的Nature杂志上(Nature 2020, 582, 370-374)。然而,即便该纳米孪晶金刚石复合材料的断裂韧性已经达到了近27 MPam0.5,但是由于微裂纹产生而引发碎裂的灾难事故依然不可避免,研究者在进行单边缺口梁测试实验时发现当应力撤去后,裂纹竟奇迹般地近乎消失了。对此,我们尝试如果金刚石能够在微裂纹出现的第一时间启动自我修复,将对于提高金刚石基材料和器件的使用寿命和可靠性将具有革命性意义。

鉴于此,郭林教授、岳永海教授团队与燕山大学田永君院士、聂安民教授团队通力合作对自愈合现象进行了深入系统的研究,采用原位扫描电镜和透射电镜力学实验方法从微纳尺度乃至原子尺度系统研究了纳米孪晶金刚石复合材料和单晶金刚石的自愈合行为。研究者利用自行搭建的扫描电镜原位力学测试设备,采用循环拉伸断裂测试方法,发现完全断裂的ntDC,在无压缩应力等外部干预下,可以在室温下表现出非凡的裂纹自修复能力。定量化研究结果显示断裂后的ntDC愈合拉伸强度表现出约34%的愈合效率,明显高于单晶金刚石(DSC)约6.7%的愈合效率(见图1),即使尺寸达到微米级,这种自愈合行为依然存在。

图1. 断裂的ntDC/DSC的自修复行为的定量研究。

为了进一步揭示其自愈合行为内在机理,研究者利用透射电镜下的原位力学系统研究了ntDC原子尺度愈合机理。将ntDC断口处产生的含有sp2-和sp3-杂化碳原子的非晶组织,仿照骨愈合过程中形成的成骨细胞,命名为Diamond Osteoblast (DO)(见图2)。随着两断口DO相间距离的减少,其原子间相互作用力由排斥转变为吸引并重新成键,实现自愈合(见图3)。

图2. 15 GPa, 2000 °C条件下合成ntDC的微观结构及其断裂表面DO相形成的TEM图。

图3. 原子相互作用力由排斥转变为吸引随后CC重新成键。

该工作为设计和开发具有高耐久性和抗断裂性的脆性陶瓷材料开辟了新途径。同时,作为共价键的典型代表,金刚石自愈合行为的成功揭示将对强共价键自愈合材料的开发和设计提供指导,特别是对于晶圆的室温直接成键意义重大。

文章得到了365体育直播物理学院刘利民教授团队,365体育直播航空学院杨振宇副教授团队,燕山大学徐波教授等众多科研合作者的鼎力支持。该工作得到了国家自然科学基金委基础科学中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金优秀青年基金、面上基金等项目的支持。

论文原文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01656-4

(审核:刘克松)

编辑:贾爱平


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