高纯β-氮化硅单晶微柱压缩揭示室温塑性变形机制与位错滑移特性

这篇研究通过微柱压缩实验（micropillar compression）系统研究了高纯β-Si3N4单晶的室温塑性变形行为，首次明确了{01￣10}[0001]棱柱滑移（prismslip）为唯一激活滑移系，其临界分切应力（CRSS）为1.66±0.22 GPa，揭示了[0001]位错在螺旋取向的稳定特性及非解离滑移机制，并通过第一性原理计算（DFT）证实滑移面选择与空通道规避的关联性，为氮化硅陶瓷的力学性能优化提供了原子尺度理论依据。

　　

引言

β-氮化硅（β-Si₃N₄）因其轻质、高强度和高断裂韧性成为重要结构陶瓷。其六方晶体结构（空间群P6₃/m）由共享顶点的SiN₄四面体构成，沿[0001]方向存在大尺寸空通道（投影呈六边形）。早期研究通过透射电镜（TEM）在高温下识别出棱柱滑移、棱柱滑移和锥面滑移三种滑移系，但室温变形机制尚不明确。

方法与实验设计

研究采用烧结反应结合法制备高纯β-Si₃N₄多晶块体，通过电子背散射衍射（EBSD）筛选单晶区域，聚焦离子束（FIB）加工成2-5 μm边长的方形微柱。选取[20￣9]、[10￣39]、[26￣0]、[19 7￣0]和[0001]五种加载轴取向，分别最大化棱柱滑移（Schmid因子0.5）、棱柱滑移（0.5）等潜在滑移系的剪切应力分量。

结果与发现

塑性变形行为：仅[20￣9]和[10￣39]取向微柱表现出塑性流动，滑移迹线分析确认激活{01￣10}[0001]棱柱滑移。CRSS值（1.66±0.22 GPa）与尺寸无关，显著高于金属材料。TEM观察到[0001]位错强烈倾向螺旋取向排列（图5A-D），高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）显示位错核心未解离（图5F）。

滑移面选择：第一性原理计算揭示，棱柱滑移优先发生在(01￣10)_g面（层间距最大），该面规避空通道且不稳定堆垛能最低（1.9 J/m²），而沿[0001]位移的广义层错能（GSFE）曲线无能量极小值，支持完美位错滑移机制。

异常变形现象：部分[26￣0]取向微柱在3.7-6.4 GPa出现塑性应变，STEM分析证实为晶界滑动（图7B），剪切应力仅0.9-3.3 GPa，与棱柱滑移CRSS相当。而[0001]取向微柱在10-14 GPa直接断裂，表明锥面滑移室温下难以激活。

断裂韧性：单晶悬臂梁测试测得K_IC为2.0-2.3 MPa·m^1/2，无显著各向异性，远低于添加烧结助剂的块体材料（6-12 MPa·m^1/2），揭示晶界相在增韧中的关键作用。

讨论与机理

位错行为：[0001]位错螺旋取向稳定性源于高Peierls势垒，与空通道的强相互作用相关。分子动力学（MD）模拟曾推测空通道为位错核心稳定位点，但本研究通过GSFE计算否定了该假设，证实滑移面选择取决于层间距而非空通道位置。

滑移系不对称性：棱柱滑移的GSFE曲线显示剪切方向不对称性（图10D），正剪切（[26￣0]加载）优先选择(01￣10)_g面，而负剪切（[19 7￣0]加载）倾向(01￣10)_a面。其不稳定堆垛能（>6 J/m²）和1/3<2￣10>位错的大伯氏矢量（0.76 nm）共同导致室温难滑移特性。

结论与意义

研究确立了β-Si₃N₄室温塑性的原子尺度机制，为共价键陶瓷的变形理论补充了新认知。晶界滑动在低应力下的发现，为解释多晶材料室温韧性提供了新视角。该成果对开发高性能氮化硅基复合材料具有重要指导价值。