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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)六方氮化硼擁有超強(qiáng)抗斷裂能力:韌性是石墨烯的10倍
信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2023-07-11 08:26:30 | 瀏覽量:378592
據(jù)外媒報(bào)道,六方氮化硼(h-BN)是2D材料中的“鐵人”,它非??沽眩灾劣诳梢赃`背一個(gè)世紀(jì)以來(lái)工程師們?nèi)杂闷鋪?lái)測(cè)量韌性的理論描述?!拔覀?cè)谶@種材料中觀察到的東西是了不起的,”來(lái)自萊斯大學(xué)、這項(xiàng)研究的論文通訊作者Jun Lou指出,“沒(méi)有人會(huì)想到在2D材料中會(huì)出現(xiàn)這種…
據(jù)外媒報(bào)道,六方氮化硼(h-BN)是2D材料中的“鐵人”,它非常抗裂,以至于可以違背一個(gè)世紀(jì)以來(lái)工程師們?nèi)杂闷鋪?lái)測(cè)量韌性的理論描述。“我們?cè)谶@種材料中觀察到的東西是了不起的,”來(lái)自萊斯大學(xué)、這項(xiàng)研究的論文通訊作者Jun Lou指出,“沒(méi)有人會(huì)想到在2D材料中會(huì)出現(xiàn)這種情況。這就是為什么它如此令人興奮?!?
Lou通過(guò)比較h-BN及其表親石墨烯的斷裂韌性解釋了這一發(fā)現(xiàn)的重要意義。石墨烯和h-BN在結(jié)構(gòu)上幾乎相同。在每一種結(jié)構(gòu)中,原子排列在相互連接的六邊形平面晶格中。在石墨烯中,所有的原子都是碳原子,而在h-BN中,每個(gè)六邊形包含三個(gè)氮原子和三個(gè)硼原子。
石墨烯中的碳碳鍵是自然界中最強(qiáng)的,這應(yīng)該能使石墨烯成為周圍最堅(jiān)硬的材料。但這里卻存在一個(gè)陷阱。即使只有幾個(gè)原子不正常,石墨烯的表現(xiàn)也會(huì)從非凡變成平庸。在現(xiàn)實(shí)世界中,沒(méi)有一種材料是無(wú)缺陷的,Lou指出,這就是為什么斷裂韌性--或抗裂縫增長(zhǎng)--在工程中如此重要。
“我們?cè)谄吣昵皽y(cè)量了石墨烯的斷裂韌性,它實(shí)際上并不是很抗斷裂,”Lou說(shuō)道,“如果晶格上有裂紋,一個(gè)小載荷就會(huì)破壞這種材料。”
總之石墨烯是非常脆的。英國(guó)工程師A.A.Griffith曾在1921年發(fā)表了一項(xiàng)開創(chuàng)性的斷裂力學(xué)理論研究,其描述了脆性材料的失效。Griffith的工作描述了材料中裂紋的大小和使裂紋增長(zhǎng)所需的力之間的關(guān)系。
Lou在2014年的研究表明,石墨烯的斷裂韌性可以用Griffith的時(shí)間檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解釋??紤]到氫氮化硼的結(jié)構(gòu)跟石墨烯相似,人們預(yù)計(jì)它也會(huì)很脆。
然而事實(shí)并非如此。六方氮化硼的抗斷裂性能約是石墨烯的10倍,由于這種材料在斷裂測(cè)試中的表現(xiàn)是如此得出人意料,以至于無(wú)法用Griffith公式來(lái)描述。
“讓這項(xiàng)工作如此激動(dòng)人心的是,它揭示了一種被認(rèn)為是完美脆性材料的內(nèi)在增韌機(jī)制,”來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)、這項(xiàng)研究的論文合著者Huajian Gao表示,“顯然,即使是Griffith也無(wú)法預(yù)見(jiàn)到兩種具有相似原子結(jié)構(gòu)的脆性材料的斷裂行為會(huì)如此截然不同?!?
Lou、Gao及他們的同事們追蹤了各種不同的材料行為,結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于h-BN含有兩種元素而非一種元素而出現(xiàn)了輕微的不對(duì)稱現(xiàn)象?!芭鸷偷遣灰粯拥?,所以即使你有這個(gè)六邊形,它也不完全像碳六邊形,因?yàn)檫@種不對(duì)稱的排列,”Lou說(shuō)道。
另外他還指出,理論描述的細(xì)節(jié)是復(fù)雜的,但結(jié)果是h-BN的裂縫有分支和轉(zhuǎn)彎的趨勢(shì)。在石墨烯中,裂縫的尖端直接穿過(guò)材料。但h-BN的晶格不對(duì)稱產(chǎn)生了一個(gè)可以形成分支的“分叉”。
“如果裂縫分叉了,那就意味著它正在轉(zhuǎn)向。如果你有這種轉(zhuǎn)向裂縫,它基本上需要消耗額外的能量來(lái)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)裂縫。因此,通過(guò)使裂紋更加難以擴(kuò)展,材料有效地變韌了,”Lou說(shuō)道。
Gao則指出:“固有的晶格不對(duì)稱使h-BN具有一種永久性的傾向,即移動(dòng)的裂縫會(huì)偏離其路徑,就像一個(gè)滑雪者失去了保持平衡的姿勢(shì)以直線前進(jìn)的能力?!?
由于其耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電特性,六方氮化硼在2D電子和其他應(yīng)用中已經(jīng)成為了一種極其重要的材料,這使得它既可以作為支撐基礎(chǔ)又可以作為電子元件之間的絕緣層。Lou指出,h-BN驚人的韌性也使其成為2D材料制成的柔性電子產(chǎn)品的抗撕裂性能的理想選擇,這種材料往往非常脆。
“基于2D的電子產(chǎn)品的利基領(lǐng)域是柔性設(shè)備,”Lou說(shuō)道。他表示,除了像電子紡織品這樣的應(yīng)用外,2D電子設(shè)備也足夠薄,這樣可以用于更奇特的應(yīng)用如電子紋身和可以直接連接到大腦的植入物。
“對(duì)于這種類型的配置,你需要確保材料本身在彎曲時(shí)具有機(jī)械上的堅(jiān)固性,”Lou指出,“h-BN的抗斷裂性能對(duì)2D電子領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息,因?yàn)樗梢允褂眠@種材料作為一種非常有效的保護(hù)層。”
Gao則稱這些發(fā)現(xiàn)也可能為通過(guò)工程結(jié)構(gòu)不對(duì)稱制造堅(jiān)韌的機(jī)械超材料指明了一條新途徑。
“在極端載荷下,斷裂可能是不可避免的,但它的災(zāi)難性影響可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減輕,”Lou說(shuō)道。
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