室温下碳化硼晶体高延展性的揭示：为共价材料增韧开辟新路径

《SCIENCE ADVANCES》：Unveiling high ductility in boron carbide crystal at room temperature

为解决共价材料室温下拉伸塑性难以实现且机制不明的问题，研究人员开展了碳化硼（B4C）变形过程的研究。结果发现 B4C 室温下展现高延展性（~26.8%），空位在其塑性变形中起关键作用。该研究为提升共价材料延展性提供了策略。

　　在材料科学的广阔领域中，材料的性能就像一把 “双刃剑”，决定着它们在各个领域的应用前景。延展性，作为材料的一项关键性能，如同材料的 “韧性护盾”，对防止材料发生灾难性断裂起着至关重要的作用。在工程和制造业的舞台上，具有高延展性的材料能够轻松应对各种加工操作，在承受冲击时也能 “稳如泰山”，避免突然的断裂失效。然而，对于共价材料来说，实现良好的延展性却如同攀登陡峭的山峰，困难重重。

共价材料内部存在着强而有方向性的共价键，这就像是一道道坚固的 “壁垒”，阻碍了材料的塑性变形。就好比在一个紧密编织的 “原子网” 中，原子们被这些共价键牢牢束缚，难以自由移动和变形。尽管在某些特殊情况下，共价材料也能出现一些塑性变形的迹象，但大多是在压缩条件下发生，在室温下的拉伸塑性变形仍然是一个未被攻克的难题，其背后的变形机制更是隐藏在重重迷雾之中，无人知晓。

碳化硼（B₄C），作为共价材料中的一员，凭借其出色的硬度、较低的密度和高熔点，在防弹装甲、工程制造等诸多领域备受青睐，成为了材料界的 “明星选手”。然而，它也被自身的脆性所困扰，就像一位 “脆弱的勇士”，在需要延展性和韧性的应用场景中，常常 “力不从心”，这极大地限制了它的广泛应用。此前，科研人员尝试了多种方法来提升 B₄C 的塑性，比如进行晶界工程、元素掺杂以及化学计量比调控等，但由于 B₄C 复杂的晶体结构和化学键特性，再加上缺乏原位原子尺度的实验观察，这些尝试都未能深入揭示其塑性变形的内在机制。

为了揭开 B₄C 塑性变形的神秘面纱，研究人员开展了一项深入的研究。他们巧妙地将原位拉伸测试与原子模拟相结合，就像为研究装上了 “左右护法”，从实验和理论两个方面同时发力。利用先进的四维扫描透射电子显微镜（4D - STEM）技术，他们如同拥有了一双 “原子级的透视眼”，能够精准地观察 B₄C 的原子排列和结构特征；再借助原位透射电子显微镜（TEM）和分子动力学（MD）模拟，从原子尺度上深入探究 B₄C 的塑性变形机制。

研究人员在研究过程中采用了多种关键技术方法。其中，4D - STEM 技术用于精确确定 B₄C 的原子排列，通过特殊算法有效消除误差和杂质干扰，提高成像质量；原位 TEM 用于实时观察 B₄C 在拉伸过程中的变形行为；MD 模拟则从理论层面揭示其塑性变形的原子机制，通过构建模型模拟不同条件下的变形过程。

下面让我们详细看看研究的具体结果：

• B₄C 的结构表征：利用 4D - STEM 成像技术，研究人员精确地确定了 B₄C 的原子排列情况。通过特殊的算法处理，成功消除了传统方法的误差，使得硼原子在晶格中的位置更加清晰可见。研究发现，B₄C 晶格中存在碳 - 空位 - 碳（C - V - C）链和硼空位，并且据此提出了四种可能的局部原子结构。同时，实验结果也验证了模拟数据的准确性，进一步确认了 CVC 和 CBC 两种链结构的存在。
• 接近弹性极限的探索：通过对微加工的单晶 B₄C 进行原位 TEM 表征，研究人员发现 B₄C 在拉伸过程中呈现出明显的尺寸效应。随着试样尺寸的减小，其断裂应变和强度逐渐增加，当尺寸减小到一定程度时，测量值接近 B₄C 晶体的格里菲斯极限（Griffith limit），这表明减小试样尺寸有助于 B₄C 接近其弹性极限。
• B₄C 塑性变形的原位观察：为了研究 B₄C 超过弹性极限后的拉伸变形行为，研究人员使用了推挽（PTP）装置对特定尺寸的 B₄C 梁试样进行测试。实验结果令人惊喜，B₄C 梁展现出了高达 26.8% 的高延展性。通过对断裂试样的原子尺度表征发现，塑性变形主要是由局部非晶区域的形成导致的，这些非晶区域在应力作用下不断扩展和连接，最终导致材料断裂。同时，原位原子尺度 TEM 拉伸实验表明，B₄C 的塑性变形与晶格应变密切相关，当应变超过弹性极限后，塑性变形开始发生，最终形成非晶带直至断裂，而且其塑性变形行为不受晶体取向的影响。
• MD 模拟结果：MD 模拟结果与实验数据相吻合，进一步揭示了 B₄C 塑性变形的机制。模拟发现，B₄C 的塑性变形主要是由 C - C 链键的连续形成驱动的，链空位在其中起到了关键作用。在剪切变形过程中，随着应变的增加，CVC 链逐渐转变为 CC 链，导致材料发生塑性变形，最终形成非晶剪切带。此外，研究人员构建的混合 B₄C 模型也显示出与 B₁₂ - CVC 相似的变形机制，塑性变形主要集中在 B₁₂ - CVC 相。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，B₄C 中无定形带的形核和扩展主要由材料的内在性质决定，而非表面非晶层。这一发现打破了以往对材料塑性变形机制的认知，表明 B₄C 的塑性变形有着独特的内在规律。与其他陶瓷材料相比，B₄C 的塑性变形机制截然不同，既不存在传统的位错滑移和孪生现象，也不是通过相变来实现塑性变形。其主要原因在于 B₄C 的试样尺寸较小、应变加载速率较低以及拉伸条件的影响，使得它在达到弹性极限后没有直接形成剪切带，而是通过局部非晶化来实现塑性变形。同时，B₄C 中强共价键导致的高晶格阻力也阻碍了位错的形核和运动。

这项研究成果意义重大，它首次揭示了 B₄C 在室温下的高延展性及其内在机制，为理解共价材料的塑性变形提供了全新的视角。研究中发现的空位在 B₄C 塑性变形中的关键作用，为提升其他强共价材料的延展性提供了潜在的策略，就像为材料科学领域打开了一扇新的大门，让科研人员看到了提升材料性能的新方向。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，无疑将在材料科学领域引起广泛的关注和深入的研究。