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2023-10-14 11:19 作者:電化學(xué)與電催化 | 我要投稿
在此，日本大阪大學(xué)Kento Katagiri教授等人使用飛秒x射線射線技術(shù)來跟蹤沖擊壓縮單晶金剛石中的超快位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，可視化了堆垛層錯(cuò)比金剛石中最慢的聲波速更快的事實(shí)，展示了其前緣橫向移動(dòng)的部分位錯(cuò)的證據(jù)。因此，了解晶體中位錯(cuò)遷移率的上限對(duì)于精確地建模、預(yù)測(cè)和控制在極端條件下材料的力學(xué)性能至關(guān)重要！
相關(guān)研究成果以“Transonic dislocation propagation in diamond”為題發(fā)表在Science上。
由外應(yīng)力引起的材料內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與材料的機(jī)械性能及其變形動(dòng)力學(xué)有關(guān)。 當(dāng)延展性材料受到應(yīng)力時(shí)，材料內(nèi)部的位錯(cuò)會(huì)移動(dòng)以局部容納該力，從而產(chǎn)生塑性。金屬常見的延展性在金剛石等脆性材料中通常不存在，但即使是脆性材料在某些類型的極端條件下也會(huì)表現(xiàn)出延展性，例如沖擊引起的高應(yīng)變率變形。盡管位錯(cuò)介導(dǎo)的塑性的基本機(jī)制有時(shí)與材料中的應(yīng)變速率不變，但許多研究已經(jīng)觀察到顯示出高速率敏感性的情況。
在最高應(yīng)變率下，位錯(cuò)在變形過程中以接近材料聲速的速度移動(dòng)。位錯(cuò)理論預(yù)測(cè)，當(dāng)位錯(cuò)接近給定晶體中的極限（或臨界）速度時(shí)，位錯(cuò)的自能和應(yīng)力會(huì)發(fā)散，這意味著位錯(cuò)被禁止以這些極限速度行進(jìn)。
各向同性晶體中的極限位錯(cuò)速度與縱向和橫向聲速一致，而各向異性單晶（如金剛石）則有一個(gè)縱向（c1）和兩個(gè)橫向 （c1≧ c3），其數(shù)量級(jí)相同，但并不總是與極限速度一致。迄今為止，跨音速或超音速真實(shí)晶體中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到。唯一報(bào)道的位錯(cuò)移動(dòng)速度快于最慢極限速度的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。相比之下，許多理論和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究已經(jīng)預(yù)測(cè)了跨音速甚至超音速位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的存在，表明極限速度不應(yīng)該是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的上限。
Gumbsch和Gao使用原子模擬來觀察鎢中的超快位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。他們的模擬表明，跨音速和超音速的位錯(cuò)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)都是可能的，但僅限于超過極限速度產(chǎn)生的位錯(cuò)，從而避免了在無限能量極限速度上加速的需要。雖然對(duì)于MD模擬來說，以如此高速的速度產(chǎn)生位錯(cuò)相對(duì)簡單，但測(cè)量位錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)還無法獲得那些快速驅(qū)動(dòng)的條件。利用大于107 s-1應(yīng)變率，激波壓縮技術(shù)為研究高速位錯(cuò)提供了一個(gè)獨(dú)特的系統(tǒng)，激波波前的能量不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，最初移動(dòng)速度比極限位錯(cuò)快。
研究背景
作者展示了使用飛秒X射線照相術(shù)在單晶金剛石中跨離子移動(dòng)的沖擊誘導(dǎo)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論了對(duì)相關(guān)圖像特征的解釋和分配，并說明了位錯(cuò)速度和相關(guān)塑性如何指示輻射和阻力，這意味著微觀結(jié)構(gòu)和體彈塑性行為之間的關(guān)系。了解最快位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制變形固體的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)和塑性所必需的，這可以通過離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)。 這種超快的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地影響著材料的機(jī)械響應(yīng)，而這些反應(yīng)在眾多應(yīng)用中是必不可少的。
圖1. 金剛石上的飛秒x射線射線照相。
圖2. 堆垛層錯(cuò)的可視化。
綜上所述，作者使用世界上最亮的X射線激光器之一的原位X射線照相顯示了鉆石中跨音速位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，導(dǎo)致形成跨越塑性變形體積的許多堆垛層錯(cuò)。發(fā)射輻射的微觀位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)影響宏觀彈塑性變形動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了跨音速位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，為完善模型以深入了解這些極端條件下的超快變形行為提供了關(guān)鍵的新機(jī)會(huì)。在最高應(yīng)變率下新改進(jìn)的模型將對(duì)許多領(lǐng)域產(chǎn)生顯著的影響，包括結(jié)構(gòu)材料的超快斷裂，地震破裂的預(yù)測(cè)和分析，精確的制造工藝和電化學(xué)應(yīng)用中的功能。
文獻(xiàn)信息
Kento Katagiri*, Tatiana Pikuz, Lichao Fang, Bruno Albertazzi, Shunsuke Egashira, YuichiInubushi, Genki Kamimura, Ryosuke Kodama, Michel Koenig, Bernard Kozioziemski,Gooru Masaoka, Kohei Miyanishi, Hirotaka Nakamura1 , Masato Ota, Gabriel Rigon?, YouichiSakawa, Takayoshi Sano, Frank Schoofs, Zoe J. Smith, Keiichi Sueda,Tadashi Togashi, Tommaso Vinci, Yifan Wang, Makina Yabashi, Toshinori Yabuuchi, Leora E.Dresselhaus-Marais, Norimasa Ozaki, Transonic dislocation propagation indiamond, Science, 2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5563
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