Metall. Mater. Trans. A：尺寸和晶体取向4H-SiC微/纳米柱力学行为的影响

【引言】

陶瓷材料通常是脆性的，在机械载荷超过其弹性极限后会遭受灾难性断裂。已有研究表明：脆—韧性转变（BDT）可能在陶瓷高温变形时发生，也可能在样品室温变形时，受到高的静水压力时发生。BDT的潜在机制被认为是结构转换（非晶化或相变）和/或者位错运动。最近的小尺度力学研究表明：除了温度和压力两个影响因素外，将材料外部尺寸减小到微米或纳米级别，也可以实现陶瓷材料的增韧。此方面的研究表明，小体积陶瓷的塑性变形取决于试样的尺寸和其晶体取向，即在滑移系上的分切应力。然而，样品尺寸及其晶体取向是否对其力学行为有综合影响，还不得而知。

【成果简介】

近日，上海交通大学材料学院张荻教授和郭强特别研究员（共同通讯）等团队在Metallurgical and Materials Transactions A上发表题为“Size and Crystallographic Orientation Effects on the Mechanical Behavior of 4H-SiC Micro-/nano-pillars ”的文章。研究人员对直径范围在2~0.25微米的单晶4H-SiC微米/纳米柱进行单轴压缩试验，结果表明：在基面滑移系中零分切应力的一组样品全部以脆性方式断裂，没有显示出任何塑性变形的迹象，并且它们的断裂强度具有较大的分散性，没有表现出明显的尺寸依赖性。相反，非零分切应力的样品组具有明显的“更小更强”的特性，并且直径小于0.5µm的微柱的变形表现出由不连续应变爆发组成的锯齿形塑性流动。透射电子显微镜分析表明，这些现象出现的原因，是基面上的位错滑移以及微柱内可能存在的均匀位错形核。

【图文导读】

图1.θ₀型微柱变形前后的SEM图（柱指柱轴平行[0001]方向）

(a),(b),(c)分别为变形前直径为2.2µm,1.0µm,0.5µm的θ₀型微柱。

(d)(e)(f)分别为变形后直径为2.2µm,1.0µm,0.5µm的θ₀型微柱。

图2.θ₀及θ₄₅微柱的真应力应变曲线及其断裂应力与直径关系图

(a) 沿[0001]方向取向的单晶4H-SiC柱（“θ₀微柱”）的真应力 - 真应变曲线图。

(b) θ₀微柱的断裂应力与其直径的关系。

(c) 相对于[0001]方向取向为45°的4H-SiC微柱（“θ₄₅微柱”）的真应力—真应变曲线图。

(d)θ₄₅微柱的断裂应力与其直径的关系。

图3.0.5µm和0.25 µm直径的θ₄₅微柱真应力应变曲线及变形前后SEM图

(a)直径为0.5µm的θ₄₅柱的真应力应变图。

(b)直径为0.25µm的θ₄₅柱真应力应变图。

(c)直径0.5µm的θ₄₅柱变形前形貌。

(d)直径0.5µm的θ₄₅柱变形后形貌。

(e)直径 0.25µm的θ₄₅柱变形前形貌。

(f)直径0.25µm的θ₄₅柱变形后形貌。

(g) 直径0.25µm的θ₄₅柱变形后的局部放大图。

图4.θ₄₅微柱明暗场透射电镜图

(a)在两个光束条件下从[82-103]晶带轴和(-1102)衍射矢量获得的直径0.5µm的θ₄₅微柱的明场像(BF)。

(b)在两个光束条件下从[82-103]晶带轴和(-1102)衍射矢量获得的直径0.5µm的θ₄₅微柱的暗场像(DF)。

(c)在两个光束条件下从[40-41]晶带轴和(1-210)衍射矢量获得的直径0.5µm的θ₄₅微柱暗场像。

(f)在两个光束条件下从[30-91]晶带轴和(10-1-6)衍射矢量获得的直径0.25µm的θ₄₅微柱的明场像。

(g)在两个光束条件下从[30-91]晶带轴和(10-1-6)衍射矢量获得的直径0.25µm的θ₄₅微柱的暗场像。

(h)从[30-91]晶带轴和(01-1-3)衍射矢量获得的直径0.25µm的θ₄₅微柱的暗场像。

注：DL_P和DA分别表示位错环和位错列。

【小结】

该研究对不同直径和晶体学取向的单晶4H-SiC微/纳米柱的变形行为进行表征分析。单轴压缩实验表明，小尺度陶瓷微柱的变形表现出由离散应变爆发构成的不连续塑性流动。塑性变形柱的TEM结果揭示了试样内部的均匀位错形核现象和基面滑移现象。这项工作为小尺寸陶瓷材料的力学行为提供了实验证据，对其形变机制的研究有重要的意义。

文献链接：Size and Crystallographic Orientation Effects on the Mechanical Behavior of 4H-SiC Micro-/nano-pillars (Metall. Mater. Trans. A,2017,DOI: 10.1007/s11661-017-4426-x)

本文由材料人编辑部新人组熊富豪编辑，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！