超硬碳氮化物的极端力学特性：压痕应变硬化现象与高温软化现象

《Scripta Materialia》：Extreme mechanics of a superhard carbon nitride: Indentation-strain stiffening and high-temperature softening

碳氮化物tI14-C3N4的高温力学特性研究显示，其低温下存在 indentation-strain stiffening效应，使剪切强度提升38%。沿[111]方向高温至2000 K时，拉伸强度损失达50%，远超弹性模量25%的衰减，揭示显著的热软化机制。

　　

严海燕|陈磊|张云|李梦竹|张美光|魏群

中国宝鸡文理学院物理与光电技术学院，稀土功能材料与器件开发协同创新中心，宝鸡 721016

摘要

新型碳氮化物的高温力学性能对其应用至关重要，但目前相关研究尚不充分。最近在碳氮化物实验合成方面的突破 [D. Laniel 等人, Adv. Mater. 36, 2308030 (2024)] 重新激发了人们对它们优异性能的兴趣。在这项首次系统研究中，我们利用第一性原理计算和从头算分子动力学模拟方法，研究了新合成的 tI14-C3N4 在 2000 K 时的力学行为。我们发现了一种在 0 K 时未报道的压痕-应变硬化现象：由于双轴应力作用下键长的缩短，其维氏压痕剪切强度提高了 38.0%。更引人注目的是，我们发现了一种显著的热软化机制：在 2000 K 时，沿 [111] 方向的拉伸强度下降了 50%，远超过弹性模量约 25% 的降低幅度，表明该材料在拉伸过程中存在明显的热软化现象。这些结果凸显了 tI14-C3N4 优异的力学性能，同时也指出了其在极端环境中的应用潜力，但同时也受到温度的限制。

作者贡献说明

CRediT 作者贡献声明

严海燕：撰写初稿、数据可视化、实验研究、数据分析。陈磊：撰写与编辑、数据可视化、研究方法设计、实验研究。张云：软件开发、研究方法设计、数据分析。李梦竹：数据可视化、数据分析。张美光：撰写与编辑、项目监督、资源协调、资金申请、概念构思。魏群：撰写与编辑、项目监督、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号：11964026）和陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2025JC-YBMS-027 和 2024JC-YBMS-048）的资助。所有计算工作均在宝鸡文理学院的高性能计算中心完成。