燕山大學亞穩材料全國重點實驗室田永君院士團隊聯合中國科學技術大學、浙江大學、浙江工業大學及美國愛荷華州立大學的研究人員，成功揭示陶瓷晶體碳化硼（B4C）在室溫下展現出與金屬相媲美的延展性。這一突破性發現顛覆了人們對傳統共價材料脆性的認知，為提升強共價材料延展性提供了全新的研究方向。相關研究成果于2025年4月9日發表在《Science Advances》（第11卷，第4648頁）。
延展性是指材料在斷裂前發生顯著塑性變形的能力。這一特性對于工程制造和機械超載的抗性至關重要。然而，與金屬材料通過位錯運動和孿晶機制實現塑性變形不同，共價材料由于其強而方向性明確的共價鍵，以及滑移系的缺乏，通常表現出極高的脆性，尤其是在室溫條件下。B4C作為一種典型的共價材料，因其優異的硬度、低密度和高熔點，被廣泛應用于防彈裝甲和工程領域。然而，由于其固有的脆性，碳化硼在需要延展性和韌性的場景中受到極大限制。盡管此前研究表明B4C在特定條件下（如壓縮、沖擊）可能出現局部塑性變形，但在室溫下實現顯著的拉伸塑性變形一直是一個未解的科學謎團。
本研究通過先進的四維掃描透射電子成像技術（4D-STEM）和原子模擬，揭示了碳化硼在室溫下實現高延展性的全新機制。研究團隊利用電子光學成像技術清晰在碳化硼晶體中觀察到“碳-空位-碳”鏈的存在（圖1）。這些鏈中由于硼原子缺失而產生的空位，顯著改變了晶格的局部結構。通過原子模擬，研究發現這些空位能夠誘導碳-碳鍵的形成，從而導致局部晶格失序（局部非晶化），進而實現塑性變形。在對微納B4C樣品的原位拉伸測試中，研究團隊觀察到樣品在超過彈性極限后，展現出高達31.2%的斷裂應變以及26.8%的延展性（圖2）。這一數據遠遠超出了此前對共價材料的預期，甚至接近某些金屬材料的延展性水平。此外，原位高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察顯示，在拉伸過程中，碳化硼晶體的局部區域發生了非晶化，形成了寬度為1-2納米的非晶疇。這些非晶疇通過擴展和連接，最終形成非晶帶，成為塑性變形的主要貢獻者。研究還表明，隨著樣品尺寸的減小（厚度小于100納米），B4C的斷裂應變和強度顯著提高，表明尺寸效應在B4C的塑性變形中起到了重要作用。
圖1. 通過4D-STEM成像技術對B4C晶體原子結構及硼空位的精確表征
圖2. B4C納米梁原位拉伸變形過程及其塑性變形區域的高分辨率STEM表征
這項研究不僅揭示了硼空位在塑性變形中的關鍵作用，還提出了一種新的材料設計策略，即通過引入特定的晶格空位，可以顯著改善強共價材料的延展性。研究成果為拓展B4C的應用提供了新可能，其延展性的提升將顯著擴大該材料在高韌性和抗沖擊性需求場景（如航空航天、防護裝甲等）中的應用前景。此外，研究中發現的“空位誘導非晶化”機制，可能同樣適用于其他強共價材料（如氮化硼、碳化硅等），為提升這些材料的塑性和韌性提供了寶貴的理論指導。這一突破性發現為強共價材料的設計與應用開辟了全新的視野。
本項研究由燕山大學和中國、美國多所高校合作完成，論文共同第一作者為李鵬輝、李君、馮啟龍，通訊作者為靳田野、寧守琮、安琪和聶安民。研究獲得國家自然科學基金（52288102、52090022）、河北省自然科學基金（E2024203054、E2022203109）等項目支持。
（圖源：燕山大學）
收藏
投訴
