2023年8月21日，香港大学机械工程系陆洋教授团队与合作者在材料综合期刊Materials Horizons上发表了题为“Ductile amorphous boron nitride microribbons”的最新研究成果。
该研究通过制备非晶氮化硼微米条带，利用原位单轴拉伸实验手段，首次观察到非晶氮化硼微米带表现出超过50%应变的均匀拉伸塑性和优异的缺陷耐受能力。结合高分辨率原子表征和分子动力学模拟，揭示了非晶氮化硼微米带的超大拉伸塑性是由微结构拓扑变形引起的多重能量耗散等机制造成的。
该论文通讯作者是陆洋教授（香港大学）和侯渊博士（香港城市大学），第一作者是朱梦雅（香港城市大学），周景晫（香港城市大学）和何泽洲博士（中国科学技术大学）。朱银波副教授（中国科学技术大学）和吴恒安教授（中国科学技术大学）指导了模拟部分的工作。
非晶氮化硼（a-BN）陶瓷具有高热稳定性和优异的介电性能，可应用于气凝胶隔热和纳米介电层，但同其他类型陶瓷一样，氮化硼表现出固有脆性，大大阻碍了其在功能器件中的广泛应用。此前已有一些陶瓷材料体系（SiO2、Al2O3等）微纳尺度下塑性的研究报道，但非晶氮化硼材料在小尺度下的力学性能还有待研究。
研究团队首先通过溶胶-凝胶法，以硼酸和三聚氰胺小分子为原料，合成了微米尺度非晶氮化硼条带，该微米带具有由弯曲的 h-BN 纳米片通过强共价键连接组成的三维互锁结构。
通过原位单轴拉伸实验，非晶氮化硼微米带表现出突出的塑性变形能力，最大塑性应变超过50%。此外，在经历循环拉伸实验后，非晶氮化硼微米带还表现出令人惊讶的缺陷耐受度。将TEM高分辨率原子表征与分子动力学模拟相结合，该研究还揭示了非晶氮化硼的大拉伸塑性源自微结构拓扑变形引起的多重能量耗散机制，包括三种主要变形模式：i）弹性阶段的h-BN薄片的整体拉伸和旋转；ii）塑性阶段的h-BN薄片的展开以及层间脱粘和滑动；iii）断裂阶段的h-BN薄片的撕裂。
图1：非晶氮化硼微米带的制备及微观结构表征。
图2：原位力学实验下揭示了非晶氮化硼微米带的超大拉伸塑性。
图3：非晶氮化硼微米带在拉伸应变下的缺陷耐受能力。
图4：通过原位电镜和分子动力学模拟阐述非晶氮化硼微米带的塑性变形机制。
图5：高分辨电镜图像和模拟分析非晶氮化硼微米带的断口形貌。
该研究结果将为开发用于新兴应用的塑性非晶共价键材料提供了新的见解，并为以非晶氮化硼微纳结构为基础的柔性电子器件应用开辟了新的思路。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1039/D3MH00845B
