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大连理工大学在碳化硅断裂表面的重新键合机理方面取得重要进展

作者:张振宇 来源:机械工程学院 时间:2018-04-08 09:48

大连理工大学国家自然科学基金委员会“精密制造理论与技术基础研究”(51621064)创新研究群体成员张振宇教授带领博士生崔俊峰、王博和硕士生姜海越与中国科学院宁波材料技术与工程研究所、江苏大学、波鸿鲁尔大学、哈尔滨工业大学、天津理工大学、加州大学圣地亚哥分校合作,在碳化硅(SiC)断裂表面的重新键合机理方面取得重要进展,发表于《Nanoscale》,并被选为当期的封面文章。

SiC广泛应用于航空、航天、汽车、高铁、航空发动机、半导体、能源、空天望远镜、无线能源转换等高温、高压、高能、高频、高电压和高电流等领域。SiC硬度高(莫氏硬度为9.25),仅次于金刚石(莫氏硬度为10),具有优异的物理及光电性能,化学性质稳定,断裂韧性较低,属于硬脆材料,也是典型的难加工材料。传统方法加工碳化硅容易造成崩边、破碎、亚表面损伤层厚、刀具和磨具磨损快、加工精度低、效率低、表面质量差等加工缺陷。由于SiC的高硬度和高化学惰性,使其成为最难加工的材料之一,即便如此,高性能SiC装备及器件要求高性能SiC零件具有原子级的超光滑无损伤表面,这对超精密加工领域提出了严峻的挑战。

损伤控制方法是为了获得超高精度表面和高性能表面,为研发新的超精密加工工艺与装备以及高性能器件和装备的长寿命、稳定可靠运行奠定理论和实验基础。传统的损伤起源和演变机制研究方法采用聚焦离子束(FIB)对透射电镜(TEM)样品进行切割、焊接、转移和固定操作,容易对样品造成损伤和污染。针对这个难题,我们研制了新型的宏微移动装置,在室温大气条件下,用眉毛和导电银胶实现了TEM样品的移动、转移和固定操作新方法,有效避免了FIB对TEM样品的污染和损伤,获得了SiC断裂表面的原子级的重新键合、原子扩散和层错的自匹配的显微照片,结合分子动力学模拟揭示了SiC断裂表面的重新键合机理。

SiC广泛应用于苛刻环境和极端条件下,尤其对于航空、航天、核能等领域的高性能装备和器件,断裂表面的愈合功能对于这些高性能装备和器件避免灾难性后果具有极其重要的作用。采用TEM原位纳米力学方法,将SiC拉断,关闭电子束,在真空条件下用原位TEM观察到了SiC断裂表面的重新键合和层错的自匹配现象。在断裂的晶体碳化硅表面,发生了部分晶体重结晶和层错的自匹配,愈合后断裂强度为1.7 GPa,恢复到原单晶的12.9%,实现了断裂表面部分愈合。在真空条件下,非晶碳化硅断裂表面发生了原子扩散和部分重结晶,断裂表面愈合后,断裂强度为6.7 GPa,断裂强度恢复到原非晶的67%,实现了非晶断裂表面的大部分愈合。结合分子动力学模拟,发现晶体SiC表面重新键合过程中,原子对的势能降低1.33 eV,这种断裂表面的原子重新键合,使得系统朝着能量最低的方向发展,系统趋于稳定。断裂表面的愈合功能为高性能SiC器件及装备的设计和制造开辟了新的途径。

博士生崔俊峰研制了本工作的新的实验装置和新方法,崔俊峰和王博共同发现了SiC断裂表面的愈合功能,姜海越完成了分子动力学模拟。崔俊峰和王博获得了国家奖学金。王博在另一项工作中研制了宏-微-纳一体化金刚石刀具,形成了纳米孪晶化表面制造新方法,揭示了应力诱导损伤与单个纳米孪晶的作用机制,发表于ACS Applied Materials & Interfaces 2017, 9, 29451-29456;王博作为主要参与者研发了单颗磨粒纳米深度超精密磨削新方法,发表于国际机械制造领域的权威期刊CIRP Annals-Manufacturing Technology 2015, 64, 349-352,并获得了辽宁省优秀硕士学位论文。

本工作得到国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金、创新研究群体项目、教育部首届青年长江学者、大连市杰出青年科技人才、大连理工大学星海杰青、星海青千和辽宁重大装备制造协同创新中心等的联合资助。

相关链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/nr/c8nr00341f#!divAbstract

责任编辑:姚璐

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