香港城市大学与湖南大学团队合作研究：揭示ZrC材料力学性能调控新机制
香港城市大学与湖南大学团队合作研究：揭示ZrC材料力学性能调控新机制
在航空航天、核能及高温结构等领域，对材料性能的要求不断提高。ZrC作为一种超高温陶瓷材料，因其高熔点、卓越的硬度以及优异的化学稳定性而备受关注。然而，ZrC普遍存在非化学计量比，即材料中存在一定比例的碳缺陷，这一现象不仅改变了材料的微观结构，还对其力学性能产生了深远影响。
近日，香港城市大学赵仕俊教授和湖南大学吴正刚教授团队基于最新的机器学习辅助分子动力学模拟技术，构建了高精度的机器学习势能，能够准确捕捉ZrC中复杂的共价与离子相互作用，进而揭示了非化学计量比对材料力学性能的双重影响机制。在晶粒内部，碳缺陷破坏了原有的理想晶格结构，使得材料的杨氏模量、剪切模量和屈服强度明显降低；而在晶界区域，由于晶界原本存在的弱键结构和高能量状态，适量的碳缺陷有助于缓解局部应力集中，改善应变分布，从而提高晶界的抗断裂性能。相关成果以“Strengthening or softening: On the impact of off-stoichiometry on the mechanical properties of ZrC” 在《Acta Materialia》上发表。
图1：机器学习势预测的能量和力与 DFT 结果的比较。
图2：不同缺陷对晶内及晶界拉伸过程中应力-应变曲线的影响。
图3：在含有非化学计量相关点缺陷的 Σ5{210} 晶界 中，拉伸载荷作用下原子结构和原子应变分布的演变。
图4：不同非化学计量Σ5{210}晶界的(a)应力应变曲线, (b)相应屈服强度和屈服应变，及(c)解离能。
图5：不同计量比下晶界强度的实验验证。
通过系统的模拟与实验验证，本研究不仅实现了对不同缺陷类型及化学计量比在不同区域作用效果的定量分析，还深入探讨了在不同温度和加载条件下，缺陷引发的原子级应变分布、键合状态及局部断裂机制。研究结果显示，适度的非化学计量比调控可在保证晶粒内部基本力学性能的前提下，通过优化晶界的结构和应力分布，实现整体性能的提升。该工作为高温陶瓷设计提供了全新的调控策略。
本文原文来自澎湃新闻