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最新《Nature Materials》重磅:首次报道陶瓷的辐射诱导偏析

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导读:辐射引起的偏析在金属材料中是众所周知的,但由于陶瓷中原子键很强,一般认为辐射不会引起偏析。本文发现辐射可导致陶瓷中的一种元素明显偏析到晶界;还发现通过化学气相沉积法(CVD)生长的未辐射碳化硅的晶界本质上是贫碳的。固有的晶界化学及其在辐射下的演化对于理解陶瓷中与晶界相关的许多特性都是至关重要的。

提到陶瓷,大部分人可能首先会想到自己喜欢的杯子或花盆。但是现代科技中充满了先进的陶瓷,从芯片到超导体再到生物医学植入材料。这些先进的陶瓷通常是由多种材料组成的复合材料,在微观层面上,它们类似于用石灰石砂浆固定的石围墙。像围栏一样,陶瓷的强度特性在很大程度上取决于砂浆的强度,砂浆的强度在陶瓷中是指晶界或不同类型材料相遇区域的化学性质。

最新《Nature Materials》重磅:首次报道陶瓷的辐射诱导偏析

石围墙及晶界

SiC陶瓷材料有着众多优异的性能,被广泛应用于多种领域,而这种材料在辐照条件下的优异表现使得其有着作为未来先进核反应堆的结构材料、包壳材料等等用途。

以前,大多数研究人员认为SiC陶瓷中这些晶界的化学性质非常稳定。但是威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员进行的一项新研究表明,事实并非如此。实际上,在SiC中,当材料暴露于某些类型的辐射时,碳原子会聚集在这些晶界处。这一发现可以帮助工程师更好地了解陶瓷的性能,并有助于微调新一代陶瓷材料。这项研究结果以题为“Radiation-induced segregation in a ceramic”于5月25日在线发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0683-y

最新《Nature Materials》重磅:首次报道陶瓷的辐射诱导偏析

由于多晶陶瓷晶粒原子之间的原子键比金属中的强得多,因此研究人员认为它们不会受到辐照导致的元素偏析。但是,当威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程学教授Izabela Szlufarska开始仔细观察碳化硅的晶界时,她们发现:“在碳化硅中,硅和碳有很强的倾向去配对在一起,因而预期的碳含量为50%,硅含量为50% ”她说。但是,当她的团队进行模拟并仔细观察晶界时,惊奇的发现边界处的碳浓度仅为45%。她说:“晶界区域与晶粒内部的化学浓度的差异真的很大。” “这是一个惊喜,因为这种材料有很强的产生完美化学配比的原子的趋势。

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SiC晶界的高分辨图

这表明SiC也可能易于受到辐射诱导的元素偏析(Radiation-induced segregation)。因此,Szlufarska教授和她的团队用离子辐射轰击了这种物质,发现在300摄氏度至600摄氏度之间,晶界经历了碳富集。

在这些能量水平下,辐射会导致一些碳原子突然消失,从而在碳化硅中产生一对缺陷,包括称为空位的空斑和称为间隙的疏松碳原子。那些未连接的间隙原子迁移到它们积累的晶界,从而影响了材料的化学性质。

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辐照导致部分碳原子消失

除了研究人员根本不相信这种迁移可能发生在陶瓷之外,Szlufarska教授说,直到最近,他们还缺乏深入研究这种现象的工具。经过在威斯康星大学麦迪逊分校和橡树岭国家实验室进行的最先进的透射电子显微镜检查使该小组能够沿晶界解析化学成分。

研究小组认为,这种现象也可能在其他多晶陶瓷中发生。这个过程是一把双刃剑:一方面,辐射引起的元素偏析意味着陶瓷在其晶界处与金属合金一样,遭受相同类型的缺陷和变质,尽管温度不同。另一方面,隔离在材料工程中可能有用,以生产专门形式的陶瓷,例如碳化硅,用于核能,喷气发动机和其他高科技应用。

Izabela Szlufarska是威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程及工程物理领域的Harvey D. Spangler教授。王兴(Dr. Xing Wang)(现为宾夕法尼亚州立大学的助理教授)和威斯康星大学麦迪逊分校的张宏亮(Dr. Hongliang Zhang)是论文的共同一作。本研究得到了美国能源部(DE-FG02-08ER46493)和国家科学基金会(DMR-1720415)的资助。

*感谢原文作者团队对本文的支持与指导。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系,未经许可谢绝转载至其他网站。

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