Toughening and Crack Healing Mechanisms in Nanotwinned Diamond Composites with Various Polytypes

材料科学 钻石 复合材料 断裂力学 断裂韧性 陶瓷 纳米尺度 原子单位 增韧 韧性 纳米技术 量子力学 物理
作者
Yongpan Zeng,Qian Zhang,Yujia Wang,Jiaxi Jiang,Hanzheng Xing,Xiaoyan Li
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:127 (6) 被引量:30
标识
DOI:10.1103/physrevlett.127.066101
摘要

As an emerging ceramic material, recently synthesized nanotwinned diamond composites with various polytypes embedded in nanoscale twins exhibit unprecedented fracture toughness without sacrificing hardness. However, the toughening and crack healing mechanisms at the atomic scale and the associated crack propagation process of nanotwinned diamond composites remain mysterious. Here, we perform large-scale atomistic simulations of crack propagation in nanotwinned diamond composites to explore the underlying toughening and crack healing mechanisms in nanotwinned diamond composites. Our simulation results show that nanotwinned diamond composites have a higher fracture energy than single-crystalline and nanotwinned diamonds, which originates from multiple toughening mechanisms, including twin boundary and phase boundary impeding crack propagation, crack deflection and zigzag paths in nanotwins and sinuous paths in polytypes, and the formation of disordered atom clusters. More remarkably, our simulations reproduce more detailed crack propagation processes at the atomic scale, which is inaccessible by experiments. Moreover, our simulations reveal that crack healing occurs due to the rebonding of atoms on fracture surfaces during unloading and that the extent of crack healing is associated with whether the crack surfaces are clean. Our current study provides mechanistic insights into a fundamental understanding of toughening and crack healing mechanisms in nanotwinned diamond composites.

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