晶界对二维六方氮化硼多晶体力学性能及失效行为影响的机理研究

Grain boundary (GB) is an important factor affecting the mechanical properties and failure behavior of polycrystalline materials. As a new type of low-dimensional material, two-dimensional hexagonal boron nitride (h-BN) possess many potential applications due to its unique mechanical, thermodynamic and electronic properties. Understanding the effect of GBs on the mechanical properties and failure behaviors of two-dimensional h-BN is of both scientific and technological importance. In this project, the effect of GBs, including the density of dislocation, distribution mode and polarization property of the GBs, on the mechanical properties and failure behaviors of two-dimensional h-BN will be investigated by density functional theory and molecular dynamics methods. The propagation of nanocracks on GBs, the flaw tolerance and failure mechanism of the materials will be explored. The temperature- and pressure-dependent effects of GBs on the mechanical properties and failure behaviors of two-dimensional h-BN will also be discussed. The aim of this project is to establish quantitative information of the effect of GBs on the mechanical properties and failure behaviors of two-dimensional h-BN materials.

晶界是影响多晶材料力学性能及失效行为的重要因素。作为一类新型低维材料，二维六方氮化硼多晶体因其独特的力、热以及电子性质，具有广阔的应用前景。研究二维六方氮化硼多晶体中晶界对与该类材料物理性能的影响具有重要的科学价值。本课题拟采用密度泛函理论及分子动力学方法，系统研究二维六方氮化硼多晶体表面晶界的位错密度、分布方式和极化特性对材料力学性能和失效行为的影响；存在于该类晶体晶界处的纳米裂缝的扩展规律、材料的缺陷容限及失效机制；不同温度及压强条件下，晶界对二维六方氮化硼多晶体力学性能和失效行为的影响。以期建立晶界对二维六方氮化硼多晶体力学性能及失效行为影响的量化信息。

晶界及缺陷的存在会影响低维多晶材料的力学性质，进而影响基于此类材料的各类器件产品的力学性能。由于晶界处往往是非均匀的结构，并存在原始缺陷及应力集中，容易形成初始的具有纳米尺度的裂缝。纳米裂缝的存在会显著影响低维多晶体的力学性能，降低其固有强度，随着纳米裂缝的生长，会逐步造成材料失效，从而影响其使用寿命。本课题采用密度泛函理论及分子动力学方法，研究了六方氮化硼材料以及具有类似结构的低维晶体（硅烯、锗烯）表面晶界的形式、密度和分布对材料力学性能和失效行为的影响；得到了晶界参数与材料力学性能之间的相互关系；分析了有晶界存在下材料的失效过程和机制。研究了存在于低维晶体表面的纳米裂缝的扩展规律、材料的缺陷容限及失效机制；得到了纳米裂缝尺寸、温度、机械应变率等参数对材料力学性能和失效行为影响的规律。本课题的研究为深入认识六方氮化硼等低维材料在晶界及纳米裂缝这类缺陷存在下的力学性能和失效行为提供了量化信息，为今后该类材料在功能器件中的应用提供了理论参考。