大多数人想到陶瓷时，他们可能首先会想到自己喜欢的杯子或花盆。但是现代科技中充满了先进的陶瓷，从芯片到超导体再到生物医学植入材料。这些先进的陶瓷通常是多种材料组成的复合材料，在微观层面上，它们类似于用石灰石砂浆固定的石围墙。像围栏一样，陶瓷的强度特性在很大程度上取决于砂浆的强度，砂浆的强度在陶瓷中是指晶界或不同类型材料相遇区域的化学性质。
SiC 陶瓷材料有着众多优异的性能，被广泛应用于多种领域，而这种材料在辐照条件下的优异表现使得其有着作为未来先进核反应堆的结构材料、包壳材料等等用途。
以前，大多数研究人员认为 SiC 陶瓷中这些晶界的化学性质非常稳定，但是威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员进行的一项新研究表明，事实并非如此。实际上，在 SiC 中，当材料暴露于某些类型的辐照时，碳原子会聚集在这些晶界处。这一发现可以帮助工程师更好地了解陶瓷的性能，并有助于微调新一代陶瓷材料。这项研究结果发表在 2020 年 6 月的 Nature Materials 杂志上。
由于多晶陶瓷晶粒中的原子之间的原子键比金属中的强得多，因此研究人员认为它们不会受到辐照导致的元素偏析。但是，当威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程学教授 Izabela Szlufarska 开始仔细观察碳化硅的晶界时，她们发现，“在碳化硅中，硅和碳有很强的倾向去配对在一起，因而预期的碳含量为 50%，硅含量为 50%，”她说。但是，当她的团队进行模拟并仔细观察晶界时，他们惊奇地发现边界处的碳浓度仅为 45%。她说：“晶界区域与晶粒内部的化学浓度的差异真的很大。这是一个惊喜，因为这种材料有很强的产生完美化学配比的原子的趋势。”
这表明 SiC 也可能易于受到辐照诱导的元素偏析(radiation-induced segregation)。因此，Szlufarska 教授和她的团队用离子辐照轰击了这种物质，发现在 300 摄氏度至 600 摄氏度之间，晶界经历了碳富集。
在这些能量水平下，辐照会导致一些碳原子突然消失，从而在碳化硅中产生一对缺陷，包括称为空位的空斑和称为间隙的疏松碳原子。那些未连接的间隙原子迁移到它们积累的晶界，从而影响了材料的化学性质。
Szlufarska 教授说，此前研究人员根本不相信这种迁移可能发生在陶瓷之外，并且直到最近，他们还缺乏深入研究这种现象的工具。为了沿晶界解析化学成分，研究团队使用了威斯康星大学麦迪逊分校和橡树岭国家实验室中最先进的透射电子显微镜分析。
研究小组认为，这种现象也可能在其他多晶陶瓷中发生。这个过程是一把双刃剑：一方面，辐照引起的元素偏析意味着陶瓷在其晶界处与金属合金一样遭受相同类型的缺陷和变质，尽管温度不同。另一方面，隔离在材料工程中可能有用，以生产专门形式的陶瓷，例如碳化硅，用于核能、喷气发动机和其他高科技应用。
Izabela Szlufarska 是威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程及工程物理领域的 Harvey D. Spangler 教授。王兴(Dr. Xing Wang，现为宾夕法尼亚州立大学的助理教授)和威斯康星大学麦迪逊分校的张宏亮(Dr. Hongliang Zhang)是论文的共同一作。本研究得到了美国能源部(DE-FG02-08ER46493)和国家科学基金会(DMR-1720415)的资助。
论文信息
【标题】Radiation-induced segregation in a ceramic
【作者】Xing Wang, Hongliang Zhang, Tomonori Baba, Hao Jiang, Cheng Liu, Yingxin Guan, Omar Elleuch, Thomas Kuech, Dane Morgan, Juan-Carlos Idrobo, Paul M. Voyles & Izabela Szlufarska
【期刊】Nature Materials
【日期】25 May 2020
【DOI】10.1038/s41563-020-0683-y
【链接】https://www.nature.com/articles/s41563-020-0683-y
【摘要】Radiation-induced segregation is well known in metals, but has been rarely studied in ceramics. We discover that radiation can induce notable segregation of one of the constituent elements to grain boundaries in a ceramic, despite the fact that the ceramic forms a line compound and therefore has a strong thermodynamic driving force to resist off-stoichiometry. Specifically, irradiation of silicon carbide at 300 °C leads to carbon enrichment near grain boundaries, whereas the enrichment diminishes for irradiation at 600 °C. The temperature dependence of this radiation-induced segregation is different from that shown in metallic systems. Using an ab initio informed rate theory model, we demonstrate that this difference is introduced by the unique defect energy landscapes present in the covalent system. Additionally, we discover that grain boundaries in unirradiated silicon carbide grown by chemical vapour deposition are intrinsically carbon-depleted. The inherent grain boundary chemistry and its evolution under radiation are both critical for understanding the many properties of ceramics associated with grain boundaries.
