華南理工《Acta》納米多晶陶瓷衝擊響應的晶粒尺寸效應

陶瓷材料在國防軍事和航空航天領域有重要應用，在裝備向輕量化和高性能的發展中扮演重要的角色。碳化矽憑藉低密度、高比強度、耐高溫等優異的物理力學性質，在武器裝甲、塗層和發動機渦輪葉片以及摩擦和電子器件中極具應用前景。其應用中存在高溫高壓和高應變率乃至強輻射等複雜惡劣條件，對極端條件下的物理和力學特性的研究受到重要關注。不同加載條件與微結構下納米陶瓷的變形與破壞仍是當前基礎科學的熱點問題之一。

近日，華南理工大學姚小虎教授課題組基於大規模分子動力學方法研究了納米多晶碳化矽陶瓷的衝擊響應。模型晶粒尺寸範圍為2 nm至32 nm，原子規模高達2.06億。文章系統分析了不同晶粒尺寸的納米碳化矽陶瓷在粒子速度為1 km/s至5 km/s的衝擊壓縮變形與層裂破壞行為，從納觀尺度揭示了高應變率下納米多晶陶瓷的衝擊壓縮損傷和層裂破壞的機理以及晶粒尺寸的影響規律。相關研究成果以「On the grain szie dependence of shock responses in nanocrystalline SiC ceramics at high strain rates」為題發表在材料科學領域頂刊《Acta Materialia》。華南理工大學博士後李旺輝博士為該論文第一作者，其他合作作者還包括了洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Timothy C. Germann博士、Eric N. Hahn博士和Biao Feng博士以及華南理工大學的張曉晴教授。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.044

為了有效地開展對納米碳化矽陶瓷的衝擊響應研究，研究者採用Voronoi方法構建納米多晶陶瓷模型試樣，並從能量、密度和晶界厚度等多參數與理論或實驗觀測值對比驗證了其合理性（圖1）。同時，通過對衝擊Hugoniot曲線（圖2），如壓力-體積、壓力-粒子速度和波速-粒子速度等曲線的計算模擬結果和實驗值的比較驗證了勢函數的可靠性。

圖1.納米多晶碳化矽試樣參數。不同晶粒尺寸模型對應（a）原子規模，（b）原子能量和試樣密度和（c）晶界與內晶粒比例分數。

圖2.衝擊Hugoniot曲線的模擬值與實驗值比較（a）P-V曲線，（b）P-Up曲線以及（c）Us-Up曲線。

基於此，研究者發現隨著衝擊粒子速度的增加納米多晶碳化矽相繼出現彈性、塑性及相變行為。其中，以變形孿晶為主的塑性變形（圖3）和從閃鋅礦結構（原子配位數為4）到巖鹽結構（原子配位數為6）轉變的固固相（圖4）。通過對孿晶比例的統計分析（圖5），結果顯示：通常情況隨著晶粒尺寸的減小，產生孿晶變形的晶粒比例降低。孿晶晶粒的比例變化表明觸發變形孿晶所需的臨界應力的變化，孿晶晶粒的比例分數較低意味著所需更高的臨界應力。

因此，孿晶所需的臨界應力隨著晶粒尺寸的減小而增加，類似於典型的Hall-Petch關係，但是在晶粒尺寸在6至12nm區間呈現細微的反常現象。衝擊相變中，晶粒尺寸的影響主要體現在單一強衝擊相變波加載情況下，存在臨界晶粒尺寸（約為10nm），高於該臨界晶粒尺寸時，晶粒尺寸對相變的影響較小，但低於臨界晶粒尺寸時，隨著晶粒尺寸的減小相變轉化比例較顯著降低，即小納米晶粒尺寸阻礙了相變的轉化（圖6）。

圖3. 衝擊荷載下不同晶粒尺寸碳化矽多晶體的變形孿晶。

圖4. 衝擊壓縮引起的結構相變，原子配位數從4到6的轉變對應閃鋅礦結構到巖鹽結構的轉變

圖5. 衝擊荷載下納米多晶碳化矽中不同變形響應（彈性、孿晶和轉動）晶粒比例的統計

圖6. 不同衝擊粒子速度下各不同配位數原子比例分數隨晶粒尺寸的變化。

層裂破壞中，研究者發現隨著衝擊粒子速度的增加，層裂破壞形式從經典脆性層裂到微層裂的破壞模式轉變，且層裂模式受到衝擊壓縮階段的變形與損傷密切相關。其中衝擊壓縮低於相變壓力時，傾向於經典脆性層裂（圖7、圖8），而當強衝擊產生結構相變時，由於大量的壓縮損傷和衝擊高溫的共同作用誘發了微層裂的破壞模式。

圖7. 衝擊粒子速度為1 km/s時晶粒尺寸為10 nm的納米多晶碳化矽的經典層裂演化（a）應力場演化，（b）形核與層裂演化，（c）形核瞬間，以及（d）層裂過程的應力波剖面演化。

圖8. 衝擊粒子速度為1 km/s時晶粒尺寸為10 nm的納米多晶碳化矽的層裂過程的密度場、應力場以及溫度場演化。

文中還重點分析了在不同衝擊強度下納米晶粒尺度對層裂強度的影響，指出在超高應變率下層裂形核應力與材料極限動態抗拉強度差異顯著（圖9）且呈現不同的晶粒尺寸關聯性。在相對低的衝擊壓力幅值（彈性Hugonio極限附近）引起的層裂破壞中，層裂形核應力隨著晶粒尺寸的降低，依次呈現反Hall-Petch關係和典型Hall-Petch關係，對應的臨界晶粒尺寸為10 nm（圖9）。隨著衝擊壓力幅值的增加，層裂形核應力與晶粒尺寸的反Hall-Petch關係在增強，而典型Hall-Petch關係消失。

圖9. 衝擊粒子速度為1 km/s情況下（a）層裂形核應力與極限動態抗拉強度隨晶粒尺寸的變化，（b）對應的粒子速度時程曲線

上述工作系統研究了高應變率下小納米晶粒尺寸碳化矽陶瓷的衝擊壓縮和層裂破壞行為，揭示了晶粒尺寸對納米陶瓷動態物理和力學特性的影響規律，為極端條件下材料的動態物理力學特性等相關領域的研究提供了有益的參考。據了解，姚小虎教授及李旺輝博士在極端條件下碳化矽的變形損傷與破壞研究課題研究中累計在《Acta Materialia》期刊發表3篇，另外兩篇的論文連結如下。該系列工作得到了國家自然科學基金傑出青年基金、青年科學基金項目、博士後創新人才支持計劃等的支持。

參考文獻：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.08.036

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.035

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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