纳米孪晶金刚石和纳米孪晶铜的力学性质研究

发布时间：2020-10-09 17:32

　　金属和共价键材料是两类很重要的结构材料,由于其具有优良的力学性能而被广泛的应用于航空航天、交通运输以及工程建筑等领域。工程设计要求结构材料必须具有高的强度以及高的断裂韧性。因此提高金属以及共价键材料的强度已成为推动国民经济和人民生活进步的重要动力。传统强化材料的方法为细晶强化、固溶强化、第二相强化和加工硬化。这四种传统强化方法虽然能提高材料的强度,但是降低了材料的塑性。最近,实验合成的纳米孪晶金刚石和纳米孪晶铜的力学性质表明在结构中引入纳米孪晶界能够同时提高材料的强度以及断裂韧性,解决了材料领域中强度与韧性相互排斥的问题。但是纳米孪晶金刚石的硬化机理、纳米孪晶铜软化机理还存在疑问,解决这些问题对于理解纳米孪晶金刚石和纳米孪晶铜的力学行为以及设计新材料具有重要的指导意义。为此,本文以纳米孪晶金刚石以及纳米孪晶铜为研究对象,通过分子动力学和理论推导的方法,分别研究了纳米孪晶金刚石硬化机理,纳米孪晶铜强化-软化机理以及纳米孪晶材料中最佳孪晶厚度的起源。以纳米孪晶金刚石为对象研究了纳米孪晶共价键材料的硬化机理。通过分析纳米孪晶金刚石中位错线和扭折与孪晶面的取向关系,将纳米孪晶金刚石中位错的滑移分为三种模式:塞积穿透模式、受限滑移模式和平行于孪晶面滑移模式。通过分子动力学模拟了这三种模式中位错与孪晶界的相互作用,得到了位错反应的反应热、激活能和障碍强度,并建立了不同滑移模式的临界分切应力表达式。根据位错滑移模式的临界分切应力和Sachs模型,计算得到了不同孪晶厚度下纳米孪晶金刚石的硬度,且与实验数据吻合。研究结果表明,造成纳米金刚石高硬度的因数有两个:一个是金刚石中的高晶格摩擦应力;另一个是霍尔-佩奇效应引起的高非热激活应力。这两个因素都源于位错在孪晶平面内形核和运动的激活体积低以及激活能高。该研究为纳米金刚石的硬化机理提供了新的见解,对今后开发新型超硬材料具有重要的指导意义。以纳米孪晶铜为对象研究了纳米孪晶金属屈服强度的软化机理。通过分析纳米孪晶铜中位错滑移面和伯格斯矢量与孪晶界的取向关系,将纳米孪晶铜中位错的滑移分为四种模式:塞积穿透模式、受限滑移模式、部分位错平行孪晶界滑移模式和非共格孪晶界迁移模式。通过分子动力学研究了这四种滑移模式与孪晶界的相互作用,建立了纳米孪晶铜的位错滑移模式临界分切应力的表达式。根据位错滑移模式的临界分切应力和Sachs模型,得到了纳米孪晶铜的屈服强度与孪晶厚度的关系,与实验数据吻合。研究结果表明,纳米孪晶铜的屈服强度先随着孪晶厚度的降低而增加,在孪晶厚度为15纳米时达到最大值940 MPa。当进一步减小孪晶厚度时,纳米孪晶铜的屈服强度会发生软化。纳米孪晶铜中的这种软化行为是由于软化模式从部分位错沿着孪晶界滑移转变为非共格孪晶界沿着孪晶界迁移。这种转变的临界孪晶厚度是由孪晶界的能量以及剪切模量决定的。低孪晶界能量和高剪切模量的纳米孪晶材料具有低的临界孪晶厚度。这项工作揭示了纳米孪晶金属的强化/软化机制,为设计更好性能的材料提供提供了重要线索。以纳米孪晶面心立方金属和纳米孪晶共价键材料位错行为为基础,研究了纳米孪晶材料的最佳孪晶厚度的物理起源。根据纳米孪晶材料的软化机理,并在位错理论的基础上,建立了纳米孪晶金属和共价材料的最佳孪晶厚度理论模型,并研究了材料本征参数对最佳孪晶厚度的影响。研究结果表明,纳米孪晶金属和纳米孪晶共价键材料临界孪晶厚度的物理起源是相同的,是由于孪晶界能量驱动的去孪晶和晶格摩擦力的阻碍的竞争决定的。材料的孪晶界的能量是本征层错能的一半,晶格摩擦力正比于剪切模量。因此低层错能和高剪切模量的纳米孪晶材料具有低的最佳孪晶厚度。对于纳米孪晶共价键材料,它比金属具有更高的扭折迁移能垒,因此它们的晶格摩擦力大于金属位错滑移的晶格摩擦力,这导致纳米孪晶共价键材料的最佳孪晶厚度小于纳米孪晶金属的最佳孪晶厚度。这一工作为纳米孪晶材料的力学性质提供了新的认识,对今后设计性能更好的新型纳米孪晶材料具有一定的指导意义。以交织纳米孪晶金刚石为对象研究了提出了超强纳米孪晶共价键材料的设计思路。通过在晶粒中引入不同取向的孪晶界建立了交织纳米孪晶晶体结构,并使用分子动力学方法计算了交织纳米孪晶金刚石、孪晶金刚石和多晶金刚石的屈服强度。结果表明,交织纳米孪晶金刚石、孪晶金刚石和多晶金刚石的的屈服强度分别为161,150和140 GPa。因此,纳米孪晶共价键材料的硬度可以通过引入不同取向的孪晶界来进一步提高。这一工作对今后设计高硬度的材料具有一定的指导意义。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;TG146.11
【部分图文】：

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因此，研究纳米孪晶材料的力学性质是理解纳米孪晶材料的塑性变计新的纳米孪晶材料不可或缺的部分。纳米孪晶金刚石研究进展.1 纳米孪晶金刚石的制备金刚石是自然界中最硬、最不易压缩、热导率极高的材料。金刚石工具被于石材、玻璃、陶瓷等硬质物质的切割和成型[54-60]。目前已经开展了大量理论研究来理解其超硬的成因以及进一步提高其硬度[54,55,61]。通过合成纳米石来提高金刚石以及其他陶瓷材料的硬度，已经研究了很多年。纳米多晶都是通过高温高压的方法合成的，这种极端的合成条件限制了纳米多晶材度。对于烧结好的纳米多晶金刚石，晶粒尺寸通常在 10 到 30 纳米之间，的热稳定性比单晶金刚石差[62,63]。最近，以纳米洋葱碳为前驱体，在高温件下合成了纳米孪晶金刚石[54,55]，如图 1-1[54]所示。

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TEM 图像测量的纳米孪晶金刚石孪晶厚度分布，平均孪晶厚度为ckness distribution of the nanotwins measured from HRTEM imagestwin thickness is 5nm[54]晶金刚石的力学性质料的力学性质一般由硬度来表征。硬度通常被定义为一或凹陷的能力[23-25]，纳米孪晶金刚石的硬度是通过维氏指用一个相对面间夹角为 136 度的金刚石正棱锥体压头测试样表面，保持定时间后卸除载荷，测量压痕对角线积，最后求出压痕表面积上的平均压力，即为材料的维其表达式为[64-66]：22 sin20.102VFHd 表面积，F 表示加载的应力，α 为压头相对面夹角，d 为

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[54]所示。当外加载荷达到4.9 N时，得到了纳米孪晶金刚石的维氏硬度如图1-3(a)[54]所示。在孪晶厚度为 5 纳米时，纳米孪晶金刚石的硬度为 200 GPa，比纳米多晶金刚石、

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