杂原子单层引起的晶粒内部平面缺陷的发现

北京工业大学 (BJUT) 的研究人员与中国科学院物理研究所 (IPCAS) 合作，在 TiC掺杂硬质合金陶瓷相中发现了一种新型晶粒内部平面缺陷。人们发现这些平面缺陷是钨(W)和碳(C)特定晶面上杂原子有序分布的结果。重要的是，这些新发现的缺陷显示出与已知的平面缺陷不同的独特特征，例如相界、晶界、孪晶界、堆垛层错和肤色。

这项工作发表在《先进粉末材料》杂志上，涉及原子尺度上新型平面缺陷的成分、结构和晶体学的详细表征。此外，还进行了全面的模型计算以评估其能量状态和稳定性，从而进一步了解其性质。

北京工业大学宋晓燕教授领导的研究小组发现，WC基面上出现钛(Ti)单分子层是由于WC/Ti上形成的(W,Ti)C x 络合物不稳定造成的。 Co通过粉末混合物烧结过程中的溶解-沉淀过程形成界面。稳定的Ti单层可以为WC晶体沿[0001] WC方向的生长提供成核位点 。这种可能性通过模型计算得到了证实。

“我们通过建模进一步探讨了通过掺杂 V、Zr、Nb、Mo 和 Hf 在 WC 晶粒中形成此类平面缺陷的可能性，”Song 分享道。“我们发现单层钛引起的平面缺陷在 WC 晶粒内部具有最高的稳定性，并且也更容易在硬质合金中形成。”

该工作强调了具有高稳定性的平面缺陷阻碍晶粒内堆垛层错和位错的长距离运动，并阻碍穿晶裂纹扩展的重要性。因此，可以显着降低穿晶断裂的风险，而穿晶断裂是陶瓷和陶瓷基复合材料中共价晶体的主要失效模式。

“我们最终证明，调整平面缺陷的密度可以实现最佳的机械性能，在材料的强度和断裂韧性之间实现特殊的平衡，”宋补充道。“我们的研究通过有意引入和定制异原子单层引起的晶粒内部平面缺陷，为提高材料的机械性能铺平了道路。”

此外，本文中描述的方法以硬质合金作为代表案例，可以扩展到其他材料。通过仔细选择掺杂剂和控制烧结参数，可以微调平面缺陷的密度，以在各种陶瓷系统中实现所需的性能。

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