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六方氮化硼拥有超强抗断裂能力:韧性是石墨烯的10倍

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据外媒报道,六方氮化硼(h-BN)是2D材料中的“铁人”,它非常抗裂,以至于可以违背一个世纪以来工程师们仍用其来测量韧性的理论描述。“我们在这种材料中观察到的东西是了不起的,”来自莱斯大学、这项研究的论文通讯作者Jun Lou指出,“没有人会想到在2D材料中会出现这种情况。这就是为什么它如此令人兴奋。”

Lou通过比较h-BN及其表亲石墨烯的断裂韧性解释了这一发现的重要意义。石墨烯和h-BN在结构上几乎相同。在每一种结构中,原子排列在相互连接的六边形平面晶格中。在石墨烯中,所有的原子都是碳原子,而在h-BN中,每个六边形包含三个氮原子和三个硼原子。

石墨烯中的碳碳键是自然界中最强的,这应该能使石墨烯成为周围最坚硬的材料。但这里却存在一个陷阱。即使只有几个原子不正常,石墨烯的表现也会从非凡变成平庸。在现实世界中,没有一种材料是无缺陷的,Lou指出,这就是为什么断裂韧性–或抗裂缝增长–在工程中如此重要。

“我们在七年前测量了石墨烯的断裂韧性,它实际上并不是很抗断裂,”Lou说道,“如果晶格上有裂纹,一个小载荷就会破坏这种材料。”

总之石墨烯是非常脆的。英国工程师A.A.Griffith曾在1921年发表了一项开创性的断裂力学理论研究,其描述了脆性材料的失效。Griffith的工作描述了材料中裂纹的大小和使裂纹增长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的时间检验标准来解释。考虑到氢氮化硼的结构跟石墨烯相似,人们预计它也会很脆。

然而事实并非如此。六方氮化硼的抗断裂性能约是石墨烯的10倍,由于这种材料在断裂测试中的表现是如此得出人意料,以至于无法用Griffith公式来描述。

“让这项工作如此激动人心的是,它揭示了一种被认为是完美脆性材料的内在增韧机制,”来自新加坡南洋理工大学、这项研究的论文合著者Huajian Gao表示,“显然,即使是Griffith也无法预见到两种具有相似原子结构的脆性材料的断裂行为会如此截然不同。”

Lou、Gao及他们的同事们追踪了各种不同的材料行为,结果发现,由于h-BN含有两种元素而非一种元素而出现了轻微的不对称现象。“硼和氮是不一样的,所以即使你有这个六边形,它也不完全像碳六边形,因为这种不对称的排列,”Lou说道。

另外他还指出,理论描述的细节是复杂的,但结果是h-BN的裂缝有分支和转弯的趋势。在石墨烯中,裂缝的尖端直接穿过材料。但h-BN的晶格不对称产生了一个可以形成分支的“分叉”。

“如果裂缝分叉了,那就意味着它正在转向。如果你有这种转向裂缝,它基本上需要消耗额外的能量来进一步驱动裂缝。因此,通过使裂纹更加难以扩展,材料有效地变韧了,”Lou说道。

Gao则指出:“固有的晶格不对称使h-BN具有一种永久性的倾向,即移动的裂缝会偏离其路径,就像一个滑雪者失去了保持平衡的姿势以直线前进的能力。”

由于其耐热性、化学稳定性和介电特性,六方氮化硼在2D电子和其他应用中已经成为了一种极其重要的材料,这使得它既可以作为支撑基础又可以作为电子元件之间的绝缘层。Lou指出,h-BN惊人的韧性也使其成为2D材料制成的柔性电子产品的抗撕裂性能的理想选择,这种材料往往非常脆。

“基于2D的电子产品的利基领域是柔性设备,”Lou说道。他表示,除了像电子纺织品这样的应用外,2D电子设备也足够薄,这样可以用于更奇特的应用如电子纹身和可以直接连接到大脑的植入物。

“对于这种类型的配置,你需要确保材料本身在弯曲时具有机械上的坚固性,”Lou指出,“h-BN的抗断裂性能对2D电子领域来说是个好消息,因为它可以使用这种材料作为一种非常有效的保护层。”

Gao则称这些发现也可能为通过工程结构不对称制造坚韧的机械超材料指明了一条新途径。

“在极端载荷下,断裂可能是不可避免的,但它的灾难性影响可以通过结构设计减轻,”Lou说道。

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