关键词:
Nano-scale
High entropy alloy
Cubic boron nitride
Strength
Elasticity
Cyclic loading
Strain melting
Layered decohesion
Diamond
Ice
Twinned metal
摘要:
纳米尺度固体因内部缺陷的缺失及微观结构的可设计性, 有望展现出极致的强度与弹性. 本文综述了近期关于纳米尺度的金刚石、冰、金属孪晶、高熵合金(HEA)和立方氮化硼(cBN)力学行为的研究. 首先是构建了开展以上纳米尺度固体力学研究的仪器和方法基础, 设计并搭建了具有四自由度运动能力的加载台, 以在透射电子显微镜腔体内实现亚纳米级位移精度的多轴力学加载. 对于纳米尺度的单晶金刚石针尖, 实现了拉伸侧高达125 GPa的极限弯曲强度, 接近理论强度极限. 对于亚微米尺度冰纤维, 获得了10.9%的极限弹性应变, 远超此前冰材料弹性应变0.3%的记录. 利用纳米焊接构建的金属孪晶样品, 在与孪晶界平行方向上记录到高达364%的剪切应变. 沿孪晶界方向施加的循环剪切载荷驱动低角度晶界中位错阵列发生上下扫掠运动, 该过程能够有效清除晶体缺陷, 为实现无限寿命的循环加载提供可能. 对于纳米尺度的HEA“狗骨”样品, 获得了约10%的极限弹性应变. 在此应变水平下, 金属晶体发生由拉伸诱导的熔化现象, 实现了Lindemann一百年前提出的理论设想. 对于纳米尺度的cBN晶体, 观察到了一种新的失效机制, 即源于局部超过7%弹性应变所驱动的分层解理行为. 这些研究成果表明, 纳米尺度下固体材料的力学性能仍具有广阔的提升空间.