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原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

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扭转角的引入打破了晶体结构固有的对称性，并且常常引起物理性质的独特变化，由范德华材料中扭曲堆叠形成的莫尔超晶格已成为探索强相关材料物理和其他新兴现象的新平台。

然而，通过改变vdW层状材料的扭转角提高机械性能仍存在以下问题：

1、缺乏对扭转层范德华材料力学性能的研究

尽管在氮化硼等vdW陶瓷材料的层状结构中引入扭曲可能会对块体陶瓷的变形能力和强度产生显着影响，但由于缺乏合适的制造三维块体材料的策略，目前仍然缺乏对扭转层范德华材料力学性能的研究。

2、在大块致密陶瓷中实现室温变形能力仍是一个艰巨的挑战

工业中广泛使用的块状六方氮化硼陶瓷很脆，抗压强度较低，且只能承受非常有限的弹性变形，在微/纳米级陶瓷单晶和寡晶中观察到较大的室温弹性和塑性，但在大块致密陶瓷中实现类似的室温变形能力仍然是一个艰巨的挑战。    

有鉴于此，燕山大学田永君院士和赵智胜教授等人成功合成了具有高室温变形能力和强度的多晶氮化硼块体陶瓷。这种陶瓷是由洋葱状氮化硼纳米前驱体通过传统的放电等离子烧结和热压烧结合成的，由互锁的层压纳米板组成，其中平行的薄片以不同的扭转角度堆叠在一起。这种块体陶瓷断裂前的压缩应变可达14%，比传统陶瓷高出一个数量级左右，而抗压强度约为普通六方氮化硼层状陶瓷的六倍。优异的机械性能是由于纳米板中扭曲分层的高内在变形能力和三维互锁结构的组合，限制了变形在单个纳米板中的传播。这种扭曲层氮化硼块体陶瓷的出现为制备高度可变形的块体陶瓷打开了新视角。

技术方案：

1、研究了块体陶瓷的合成过程与微观结构

作者分析了合成过程，表明在1800°C下oBN完全转变为hBN，而在1,600°C下烧结的陶瓷中还存在除六方氮化硼以外的一些亚稳态结构，证实了层压纳米板是由扭曲堆叠的纳米片形成的。    

2、证实了块体陶瓷卓越的机械性能

作者通过室温单轴压缩测试证明了TS-BN块体陶瓷优异的机械性能，表明其具有高工程应变、高抗压强度和永久塑性变形。

3、解析了块体陶瓷的变形机制

作者解析了了TS-BN中扭曲堆叠对Ξ的影响，根据实验和计算结果，作者将TS-BN优异的机械性能归因于本质上容易的层间滑移，可显着降低局部应力集中，以及三维联锁纳米结构。

技术优势：

1、将块体陶瓷压缩应变提高1个数量级，抗压强度提高6倍

作者采用传统的放电等离子烧结和热压烧结，由洋葱状氮化硼（oBN）纳米粒子合成了扭曲层块体陶瓷。这种扭曲层块状陶瓷在室温下表现出高达14%的压缩应变、高达8%的永久变形和高强度。

2、同时实现了陶瓷的高室温变形能力和高强度

作者定义了变形因子Ξ=(E_c/E_s)(1/Y)，认为在vdW材料中，引入扭曲堆叠可能会增加层间距，增加变形因子，因此同时在纳米板中引入扭曲层状结构并构建三维互锁纳米结构，同时获得了高室温变形能力、塑性和高强度。

技术细节

合成与微观结构

oBN前驱体由乱层嵌套的BN球壳组成，具有丰富的褶皱和堆垛层错，通过 SPS将oBN前驱体烧结成一系列块体陶瓷。随着烧结温度的升高，烧结陶瓷的密度增加，直到在2.08 gcm⁻³左右饱和。XRD表明从oBN到类hBN层状结构的相变，拉曼光谱表明在1800°C下oBN完全转变为hBN，而在1,600°C下烧结的陶瓷中还存在除六方氮化硼以外的一些亚稳态结构。STEM表明在1,600至1,800°C温度下烧结的陶瓷由板状颗粒组成，平均晶粒尺寸随着烧结温度的升高而增大。HAADF-STEM结果表明，纳米板由多个纳米切片组成，共享相同的基面，但围绕基面法线相对彼此扭曲不同角度。作者将这种BN陶瓷称为TS-BN陶瓷，以强调层压纳米板是由扭曲堆叠的纳米片形成的。    

图  SPS制备块体陶瓷的XRD图谱和微观结构

卓越的机械性能

室温单轴压缩测试证明了TS-BN块体陶瓷优异的机械性能。1,600°C烧结5分钟的TS-BN（TS-BN-I）在断裂前表现出高达14%的高工程应变，比六方氮化硼陶瓷和其他陶瓷（约 1%）高出近一个数量级。伴随着大的轴向应变，出现了大的横向膨胀，高达7 %左右。抗压强度达到626 MPa，是hBN纳米片烧结陶瓷和其他商业hBN陶瓷的5~10倍。对TS-BN-I陶瓷进行循环单轴压缩试验，表明其存在不可逆的永久塑性变形。在滞弹性变形阶段，耗散能随应力线性增加，达到1.0 MJ m⁻³左右，最大应力为300 MPa。这比多晶石墨高一个数量级，并且略高于Ti₃SiC₂。随着压应力较高，耗散能突然增加至最大值 45 MJ m⁻³，并引入塑性变形。该值比商业六方氮化硼陶瓷高两个数量级，并且显着高于其他工程陶瓷。    

图  SPS制备TS-BN陶瓷的超高室温变形能力和强度

变形机制

作者探究了TS-BN中扭曲堆叠对Ξ的影响，DFT计算表明，相邻BN层之间的扭曲可以使E_s降低两个数量级，而对E_c或Y影响很小。因此，与hBN相比，Ξ大幅增加。通过研究压缩断裂后TS-BN陶瓷的微观结构，进一步探讨了变形机制，结果表明三维块状TS-BN是一种以互锁纳米板为特征的纳米结构材料。根据实验和计算结果，作者将TS-BN优异的机械性能归因于本质上容易的层间滑移，可显着降低局部应力集中，以及三维联锁纳米结构，通过单个纳米板内的扭结、分层和裂变限制脆性变形，从而提供外在约束。作者还建立了SPS烧结参数、微观结构和机械性能之间的关系。    

图  TS-BN陶瓷超高变形能力和强度的由来

图  TS-BN陶瓷的变形模式

展望

总之，通过在纳米板中引入扭曲层状结构并构建三维互锁纳米结构，实现了 vdW BN陶瓷的高变形性、塑性和强度。通过添加BN或碳纳米纤维或纳米管，以及添加第二陶瓷相，预计扭层陶瓷的韧性和强度将得到进一步提高。塑性变形的实现，表明陶瓷可以真正实现类似于金属的永久变形，而不发生断裂。这项研究中展示的结构体系策略也为其他层状VDW工程陶瓷的开发提供了启示，这些陶瓷同时增强了室温变形能力、强度、韧性和能量吸收。

参考文献：

Wu, Y., Zhang, Y., Wang, X. et al. Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength. Nature 626, 779–784 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07036-5