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复杂应变下过渡族金属二硼化物的力学行为研究

过渡族金属二硼化物,力学,复杂应变,薄膜材料

        过渡族重金属轻元素化合物具有较宽的硬韧调控范围，如何解析过渡族重金属元素的物理化学特征与材料力学性能关系，在理解电子密度分布、晶格原子成键及排布的基础上，构建在复杂形变下的材料结构响应与力学性能关系（服役条件往往对应复杂应变）尚待深入研究。

        我们通过第一性原理计算系统研究了IVB-VIB过渡族金属硼化物的脆性-延展性关系, 确认通过掺杂高价电子浓度（VEC）的过渡族重金属将诱发硼化物脆韧转变，发现掺杂原子相对硼的电负性（REN）可以成功解离相同VEC下力学性质的差异，提出通过VEC和REN的组合将诸多双金属硼化物的脆韧特征进行有效分类，形成精确的对应关系，为优化和设计超硬/高硬-高韧材料提供了全新判据，并能有效应用于\过渡族重金属氮化物及碳化物的分类和优化^[1]。然而在实际服役条件下，薄膜往往承受复杂（非单轴）力学负载，并且处于大形变状态^[2]。针对这一实际情况，我们将材料的力学行为模拟拓展至压缩于剪切共存的压痕测试条件，发现TaB₂晶体在<001>方向引入压缩应变可有效抑制在大剪切应变下Ta-B键急剧伸长而过早诱发的声子虚频（未达到弹性极限即发生动力学失稳），从而使得TaB₂（001）面的压痕强度较（100）面和（011）面提升近20 GPa，达到46-49 GPa，我们进一步制备的TaB₂(001) 择优取向薄膜实测硬度达 45.9 GPa，验证了计算结果^[3]。针对恒压与剪切共存的摩擦测试条件，发现NbB₂（001）面随法向应力增大出现应变导致的强韧化，从而呈现出卓越的耐磨损能力^[4]。这一研究结果发现了复杂应变下晶格动力学稳定性及晶格取向决定的过渡族重金属轻元素化合物的强化机制，为合理设计和开发超硬过渡族重金属化合物薄膜提供了新途径。



参考文献

[1] Acta Mater. 207, 116685, (2021)

[2] Phys. Rev. B 106, 054112 (2022)

[2] Phys. Rev. B 105, 024105 (2022)

[3] Adv. Sci. 2103815 (2022)