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行业新闻

​西安交通大学展现了溶质原子氧形成金属铌硬化和脆化的微观机制

时间:2019-06-13来源:申博太阳城浏览次数:

【效果简介】


体心立方金属具有高熔点、高强度、抗辐照等长处,被普遍运用于工业界。然则,体心立方金属对微量的碳、氮、氧元素极其敏感,在制备或服役历程当中一旦引入少许的碳、氮、氧就会构成明显的硬化和脆化,但其微观机理一直是个迷,至今搅扰着研讨者。以金属铌为例,它作为一种典范难熔金属,具有熔点高、热强性好、密度低(相较于其他难熔金属)、加工性能好等长处,在高温情况下具有普遍的运用远景,被普遍用作航天运载设备的火焰喷嘴等症结受热部件。然则,高温条件下猛烈的吸氧会致使铌发作硬化、脆化和氧化,给铌合金的运用带来了伟大的应战。多年来,列国研讨者接纳了多种要领来试图说明体心立方金属的氧脆机理,然则希望迟缓。为了处理这一搅扰,西安交通大学资料学院微纳中间研讨人员将宏观力学行动研讨要领同微纳米标准原位力学性能剖析和原子标准模仿有效地连系起来,体系地研讨了溶质原子氧对铌力学变形行动的影响,阐清楚明了溶质原子氧对金属铌中点缺点团圆、螺位错活动及永远毁伤形核历程的影响,展现了溶质原子氧构成金属铌硬化和脆化的微观机制,构建了金属铌氧脆的清楚物理图象。



研讨发明,只需引入原子比为百分之一的溶质原子氧,铌在拉伸变形中就会被急剧强化,同时伴随着延伸率的损失,如图(a)所示。与纯铌的拉伸行动对照可以或许发明,溶质原子氧使铌发作了明显的硬化和脆化。剖析拉伸断口注解,含氧铌的脆性断裂是由宏观变形历程当中涌现的变形局域化引发的。宏观拉伸时含氧铌显示出的失效突然性和变形局部化特性,致使从宏观角度很难捕捉到氧脆的微观机理。为了展现溶质原子氧对铌变形行动的影响历程,我们进一步接纳原位微纳标准研讨手腕展开探讨。微纳标准拉伸时,含氧铌样品显示出了较高的屈就强度和超高的加工硬化率(Θ>10 GPa),然后发作剪切局部化并断裂,与纯铌的变形行动判然分歧,如图(b)所示。微纳标准拉伸试验注解,溶质原子氧可以或许构成小标准铌样品中位错的大批塞积,明显进步微纳标准铌的屈就强度和加工硬化才能,并易于引发变形局部化、纳米标准朴陋形核,并终究转化为裂纹引发断裂。然则,溶质原子氧怎样和铌中的位错交互作用?为何会构成云云高的加工硬化行动?溶质原子氧对变形毁伤的形核有甚么作用?等需进一步探讨。然则,因为现有试验手腕的局限性,以上疑心很难从现有的试验研讨上获得清楚的谜底。

​为什么单晶硅片尺寸会变得越来越大?

这些年,光伏技术一直在快速地发展,电池方面高效PERC,双面电池、黑硅等技术陆续投入大批量生产,N型与异质结技术也开始有一定市场份额;组件方面双玻、半片、多主栅、叠瓦等技术也进入大规模产业化阶段。我们再看来单晶硅片方面,除了在拉晶、切片等环节取得很多技术突破(如多次拉晶技术、金刚线切割技术等)之外,另一个值得关注的现象就是单晶硅片的尺寸存在着变大的趋势。 在2010年之前,单晶硅片主要以对边距125mm(硅棒直径f164mm)的小尺寸硅片为主,并有少量对边距156mm(f200mm)的硅片,2010年后,156mm硅片的比例越来越大,并成为行业主流,125mm的P型硅片在2014年前后基本被淘汰,基本仅应用于一些IBC电池与HIT电池的组件。在2013年底,隆基、中环、晶龙、阳光能源、卡姆丹克5家企业联合发布了M1(156.75-f205mm)与M2(156.75-f210mm)硅片标准,在不改变组件尺寸的情况下,M2通过提升了硅片面积(提升2.2%)使组件功率提升了5Wp以上,迅速成为行业主流并稳定了数年时间,期间市场也存在着少量M4规格(161.7-f211mm)的硅片,面积比M2增加了5.7%,产品以N


为了进一步廓清铌的氧脆机理,我们连系密度泛函理论盘算和份子动力学模仿,并特地开发了铌-氧新型原子势函数,对溶质原子氧在铌的变形中的微观机制进行了体系研讨。盘算注解溶质原子氧在铌中与螺位错之间是相互排挤的,因而,溶质原子氧不克不及直接钉扎位错而构成铌的强化和脆化。这说明通例的溶质原子经由过程直接钉扎位错而强化金属的机理在铌的氧脆变形中失效。类似的溶质原子和位错之间的排挤作用在密排六方金属中也有报导。那末溶质原子氧究竟怎样影响位错的活动的呢?进一步盘算注解,溶质原子氧亲空位(如图(c)所示),它们之间有较高的连系能(-0.8eV),而溶质原子氧和空位的连系体(V-O complex)和螺位错之间有更强的连系能(-1.0eV),即氧-空位连系体是铌中螺位错的猛烈钉扎体,能障碍螺位错活动,引发明显的强化。然则,要构成大批的氧-空位连系体,条件是含氧铌在变形时能发生大批的空位。虽然有研讨证明体心立方金属中螺位错在活动中经由过程构成交织扭折(cross-kink)可以或许发生大批的点缺点,包罗空位,但交织扭折的构成一般须要极高的剪切应力,在现有的试验条件下很难到达。基于新型铌-氧原子势的份子动力学模仿发明,因为氧和螺位错之间的自觉排挤作用,一般直线状的螺位错会在铌晶格中自觉构成分歧偏向的交织改变。在施加切应力的情况下,螺位错会动员交织改变一同活动,同时发生大批的点缺点,个中发生的局部空位会和溶质原子氧连系构成氧-空位连系体,进而进步位错的活动阻力,构成强化和加工硬化。研讨发明该机制启动须要的切应力并不高,在现有的试验条件下完整可以或许顺利实现。在随后的变形中,螺位错发生的多种点缺点团簇在变形中具有分歧的稳固性,间隙原子团和空位会在和位错的交互作用历程当中发作复合或被位错清扫到晶界或外面,而氧-空位复合体一旦构成,就异常稳固,能明显进步螺位错活动的阻力,并可以或许进一步吸取新发生的空位构成氧-多空位连系体。随后,氧-多空位连系体味进一步长大,逐步转化成纳米标准的朴陋,构成永远毁伤,如图(d)所示。大批的氧-多空位连系体的长大、合并和连通就促进了内部裂纹的萌发和扩大,终究引发含氧铌的灾变式断裂失效。氧-空位连系体致使的超高加工硬化才能征象和从氧-多空位连系体形核的纳米朴陋在试验上获得了响应的视察和证明。


基于上述研讨,溶质原子氧在体心立方金属铌中的硬化和脆化机理就有了一个清楚的物理图象。我们进一步研讨发明,第IV族体心立方金属中氧和螺位错之间均存在排挤作用,因而,以上新发明的氧脆微观机理对说明别的体心立方难熔金属在变形和辐照中的硬化和脆化行动也具有主要的参考价值。


论文宣布在金属资料威望期刊Acta Materialia上,链接是https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645419301168?dgcid=author。该事情获得了国度重点研发设计(编号2017YFB0702301)、国度自然科学基金(编号:51471128和51621063)、国度外专局111设计等的配合赞助。


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