高熵二硼化物陶瓷中不同的晶格畸变作用

《Materials Today》：Distinct lattice distortion role in high entropy diboride ceramics

晶格畸变通过加剧高熵二硼ides（HEBs）中B-B键的化学键弱化，促进位错成核与滑移，使断裂韧性提升97%，纳米硬度仅轻微下降。研究采用第一性原理计算，量化晶格畸变（RMSAD），揭示畸变调控对陶瓷强化机制的创新路径。

　　

王勇|徐静茹|陈百山|林楠|张卫东|彭飞|宋敏|赵世军|吴正刚

湖南大学材料科学与工程学院，硬质合金国家重点实验室，中国湖南长沙

摘要

晶格畸变通过与位错应力场的相互作用来增强金属合金的性能。因此，大量的位错活动是畸变驱动强化的核心前提。与合金不同，陶瓷材料中的位错活动受到严重限制。这一差异引出了一个根本性问题：晶格畸变在陶瓷中起什么作用？在这里，我们使用高熵二硼化物（HEBs）作为模型系统来探讨这个问题。通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，我们研究了不同晶格畸变程度下（TiZrNbTa-xCr）B₂（x = 0–20 at. %）的键合性质、电子结构和变形行为，晶格畸变程度通过原子位移的均方根（RMSAD）来量化。我们的结果表明，晶格畸变会加剧HEBs的化学诱导键合减弱，主要表现为B-B原子之间的键合电子减少。这种减弱促进了位错的形成，便于位错滑移，并通过激活棱柱形和金字塔形滑移系统来调节滑移，从而实现多轴应变适应。增强的位错活动显著提高了断裂韧性，同时仅导致了轻微的纳米硬度降低。这些发现为通过调控晶格畸变来设计本质上具有韧性的HEBs提供了一条途径。

引言

晶格畸变长期以来一直是影响材料力学性能的基础因素。已有充分证据表明，晶格畸变通过与位错应力场的相互作用来阻碍位错运动，从而增强材料的性能[[1], [2], [3], [4]]。这一原理在位错活动普遍存在的金属合金中尤为适用。历史上，基于晶格畸变的多种固溶强化模型已被确立，并据此设计出了许多高强度金属合金[[5], [6], [7], [8]]。例如，我们最近通过最大化晶格畸变设计出了一种单相面心立方（FCC）合金，其屈服强度约为1.05 GPa，均匀伸长率为约37% [9,10]。

然而，在陶瓷材料中，由于强烈的共价/离子键，位错活动受到本质限制，导致陶瓷材料容易发生灾难性脆性断裂[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。最近的研究主要集中在提高各种陶瓷材料的韧性[[19], [20], [21]]上。提出的策略包括位错借阅[22]、键合切换[23]、位错诱导[13]，以及通过高压处理[24,25]、高温预加载[26]、表面研磨/抛光[16]和辐照损伤[27]等专门技术有意植入密集位错。无论采用哪种策略，其核心都是促进位错形成和位错滑移，以增强陶瓷材料的局部塑性变形能力。

鉴于陶瓷材料中位错活动有限，晶格畸变影响合金力学性能的主要机制——即大量位错的产生——在陶瓷中应该同样不起作用。这一基本限制提出了一个关键但尚未解答的问题：晶格畸变在陶瓷中起什么作用？尽管高熵陶瓷（HECs）[28,29]的出现重新激发了人们对晶格畸变的兴趣，但目前的普遍假设仍然认为晶格畸变通过阻碍位错运动来硬化HECs，这一观点缺乏强有力的证据支持，而这一观点与它在金属合金中的作用相似[19,30]。我们的研究使用高熵二硼化物（HEBs）作为模型系统来探讨这一问题。高熵二硼化物是一种用于高超音速飞行器和切削工具结构应用的先进陶瓷。通过进行第一性原理计算，我们特意选择了具有不同预期晶格畸变程度的二硼化物，晶格畸变程度通过原子位移的均方根（RMSAD）来量化。我们进一步研究了它们的键合性质、电子结构、变形行为和层错能。结果表明，晶格畸变会加剧HEBs的化学诱导键合减弱，主要表现为B-B原子之间的键合电子减少。这种减弱促进了位错的形成，便于位错滑移，并调节了滑移系统。增强的位错活动使压痕断裂韧性提高了97%，SENB断裂韧性提高了67%，同时仅导致了轻微的纳米硬度降低。我们的结果可能为设计具有韧性的陶瓷提供了一种新的替代策略——晶格畸变调控。

小节片段

针对不同晶格畸变程度的HEBs

为了研究晶格畸变在HEBs中的作用，我们首先选择了(TiZrNbTa)B₂作为基础二硼化物。选择它的理由如下：组成二元硼化物TiB₂、ZrB₂、NbB₂和TaB₂具有完全的互溶性[31]，且晶格参数非常接近[32]。因此，所得的(TiZrNbTa)B₂倾向于形成单相二硼化物，且晶格畸变不明显。然后，我们选择了一种理想的掺杂二硼化物，以期获得一系列

结论与展望

目前的普遍假设认为，晶格畸变通过阻碍位错运动来硬化陶瓷材料，就像在金属合金中一样。然而，在陶瓷材料中，由于强烈的共价/离子键，位错活动受到本质限制。因此，晶格畸变影响合金力学性能的主要机制——即大量位错的产生——在陶瓷中应该同样不存在。这一基本限制提出了一个关键但尚未解答的问题

DFT计算

基于经典密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算被用来模拟HEBs的晶格畸变。具体来说，构建了特殊的准随机结构（SQS）来模拟HEBs中的化学无序[[59], [60], [61], [62]]。通过计算完全几何优化前后的原子位移的均方根（RMSAD）来量化HEBs的晶格畸变程度，其计算公式如下：$\Delta d=\frac{1}{N}\sum _i\sqrt{{(x_i-x_{}^{}}^{}}$

CRediT作者贡献声明

王勇：撰写——原始草案、方法论、研究。徐静茹：方法论。陈百山：方法论。林楠：方法论、研究。张卫东：研究。彭飞：研究。宋敏：研究。赵世军：研究。吴正刚：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52271145、U24B2024）、湖南省自然科学基金重点计划（编号：2024JJ3011）、湖南省自然科学基金（编号：2024JJ5075）、先进金属与材料国家重点实验室（资助编号：2025-ZD02）以及松山湖材料实验室开放研究基金（编号：2023SLABFN27）的财政支持。