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突破认知:六方氮化硼被发现异于石墨烯的高断裂韧性(指数级)
2021年06月07日 发布 分类:技术前沿 点击量:114
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如果某材料能够承受高负荷而没有不可逆的损伤(如塑性变形),那么它通常是易碎的,并且很可能发生灾难性破坏。这句话用来描述陶瓷材料是非常准确的,而对于二维材料石墨烯同样适用——石墨烯具有超高的固有强度(约130千兆帕斯卡)和弹性模量(约1.0兆帕斯卡),但易碎,断裂韧性低(每平方米约4兆帕斯卡)。与石墨烯类似的六方氮化硼(h-BN)长期以来也被看做如此,但最新的研究表明并非如此,单晶单分子二维h-BN具有高断裂韧性,比石墨烯高了一个数量级(10倍)。这就给它带来了额外潜在的应用机会。

论文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03488-1

通讯作者之一,莱斯大学的Jun Lou表示,在结构上,石墨烯和h-BN几乎相同。在每一个原子中,原子排列在一个由相互连接的六边形组成的平面晶格中。石墨烯中的碳碳键是自然界最强的,这应该使石墨烯成为周围最坚硬的物质。但有个陷阱。如果哪怕是几个原子都不合适,石墨烯的性能也会从非同寻常变成平庸。而在现实世界中,没有一种材料是无缺陷的,这就是为什么断裂韧性——或者说抗裂性——在工程上如此重要:它准确地描述了一种现实世界中的材料在失效前能承受多少。“我们在7年前测量了石墨烯的断裂韧性,实际上它的抗断裂能力不是很强,如果材料有缺陷,一个小负载就会把材料弄坏。”

英国工程师A.A.Griffith在1921年发表了一篇关于断裂力学的开创性理论研究,描述了脆性材料的破坏。Griffith的工作描述了材料中裂纹尺寸与使裂纹扩展所需的力之间的关系。Lou在2014年的研究表明石墨烯的断裂韧性可以用Griffith的时间测试标准来解释。考虑到h-BN与石墨烯的结构相似,它也被认为是易碎的。

但事实并非如此。Lou在莱斯大学进行了漫长的实验,南洋理工大学的另一位通讯作者Huajian Gao也做了同样艰苦的工作。六方氮化硼无法套用Griffith公式来描述。Lou,Gao和他的同事们追踪了这种截然不同的物质行为,发现氮化硼含有两种元素而不是一种元素,从而导致了轻微的不对称。Lou说,“硼和氮是不一样的,所以即使你有这个六边形,它也不完全像石墨烯的碳六边形。”

这里用了一个形象的比喻,很容易理解两者有不同的断裂韧性。如上图所示,在石墨烯中,裂纹尖端直接穿过材料,像拉链一样打开键。但h-BN中的晶格不对称性造成了分支形成的“分叉”。“如果裂缝是分叉的,那就意味着它正在转向,如果有这个转动裂纹,它基本上需要额外的能量来驱动裂纹。因此,通过增加裂纹扩展的难度,有效地增强了材料的韧性。”

六方氮化硼由于其耐热性、化学稳定性和介电性能已经成为二维电子和其他应用领域的一种极其重要的材料,使得它既可以作为支撑基底,也可以作为电子元件之间的绝缘层,而它惊人的韧性也可能使其成为增加2D材料制成的柔性电子产品抗撕裂性的理想选择。

参与这项研究的还包括缅因大学、布朗大学、新加坡科学技术研究机构,以及中国的哈工大、清华、中科院的学者。

编译 YUXI

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