作者杰森·戴利，威斯康星大学麦迪逊分校 辐照后的碳化硅，其中松散的碳原子(绿色)向晶体陶瓷颗粒之间的边界(虚线)移动
信用:张红亮 当大多数人想到陶瓷时，他们可能会想到他们最喜欢的杯子或花盆
但是现代技术充满了先进的陶瓷，从硅太阳能电池板到陶瓷超导体和生物医学植入物
许多先进的多晶陶瓷是晶粒的组合，在微观层面上，类似于用石灰石砂浆固定在一起的石墙
像栅栏一样，陶瓷的强度是由砂浆的强度决定的——在陶瓷中，砂浆是晶界，或者是不同晶粒相遇的区域
以前，大多数研究人员认为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材料科学工程师的一项新研究表明情况并非如此
事实上，在重要的陶瓷材料碳化硅中，当材料暴露于辐射时，碳原子聚集在那些晶界上
这一发现可以帮助工程师更好地理解陶瓷的特性，并有助于微调新一代陶瓷材料
这项研究的细节今天发表在《自然材料》杂志上
自20世纪70年代以来，研究人员已经意识到金属合金中类似的辐射诱导偏析
因为金属原子自由共享电子，所以它们能够容易地混合和分解
当它们受到离子辐射的轰击时，金属中的一些原子会弹出并向晶界移动，如果不同类型的原子以不同的速度移动，合金的化学性质就会改变
陶瓷中的原子对与哪个邻居结合非常有选择性，而且这种结合比金属中的强得多
这就是为什么研究人员认为这些原子不属于同一类型的分离
但是，当UW-麦迪森大学的材料科学与工程教授伊莎贝拉·斯洛法斯卡开始仔细观察碳化硅的晶界时，她发现的却不是这个
“在碳化硅中，硅和碳真的很想配对在一起；他们想要50%的碳和50%的硅，”她说
然而，当她的团队运行模拟程序并对晶界成像时，晶界处的碳浓度仅为45%
“化学反应真的很差，”她说
“这是第一个惊喜，因为这种材料真的想拥有有序的原子
" 这表明碳化硅也可能易受辐射引起的偏析的影响
因此，Szlufarska和她的团队用离子辐射轰击这种物质，发现在300摄氏度到600摄氏度之间，晶界经历了碳富集
在这种能量水平下，辐射会导致一些碳原子脱离原位，在碳化硅中产生一对缺陷，包括一个称为空位的空点和一个称为间隙原子的松散碳原子
这些未附着的间隙原子迁移到晶界，并在那里聚集，影响材料的化学性质
除了研究人员根本不相信这种类型的分离会发生在陶瓷中，Szlufarska说，直到最近，他们还缺乏工具来研究这种现象
经过艰苦的制造和碳化硅双晶体的准备，在UW-麦迪森和橡树岭国家实验室进行的最先进的扫描透射电子显微镜使该小组能够沿着晶界解析化学成分
研究小组认为这种现象也可能发生在其他多晶陶瓷中
这个过程是一把双刃剑:一方面，辐射诱发的偏析意味着陶瓷在晶界上受到与金属合金相同类型的损伤和变质，尽管温度不同
另一方面，这种分离在材料工程中可能是有用的，以生产碳化硅等陶瓷的特殊版本，用于核能、喷气发动机和其他高科技应用
该研究的合著者、宾夕法尼亚州立大学教授王星说:“也许辐射可以被用作微调晶界化学的工具。”他在UW大学获得博士学位时从事这项研究
“这对我们将来可能有用
"
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