本文转载自公众号：南航国际前沿科学研究院

近日，南京航空航天大学郭万林院士/张助华教授团队在J.Mech.Phys.Solids上发表了题为“Fracture toughness of two-dimensional materials dominated by edge energy anisotropy”的研究论文。

研究背景：

材料的力学失效常始于微小的结构损伤和缺陷，其应力集中可促进裂纹的形成并迅速传播。材料抵抗裂纹扩展的能力取决于其断裂韧性，而非完美晶体中化学键均匀断裂时的内禀强度。举例来说，共价晶体通常具备较高的强度，但却表现出较低的韧性，这使得它们一旦存在裂纹时极易发生灾变性失效，进而严重影响电子器件的可靠性和寿命。由于二维材料具有原子级的厚度，裂纹被限制在二维空间内，导致传播阻力显著降低。此外，二维材料在合成过程中容易产生各种晶格缺陷和应力集中，加速了裂纹的形成和扩展，使其断裂问题变得尤为突出。深入理解二维材料的断裂行为对于微纳器件的研制和应用至关重要。

由于原子级厚薄膜的力学测量具有极高的技术挑战性，目前对断裂韧性和裂尖结构的测量与表征仅限于少数几种二维材料。例如，石墨烯的断裂韧性测量值为15.9 ± 4.8 J/m2，远低于传统金属的断裂韧性（~102-104 J/m2）。然而，最近Yang等人报道了六方氮化硼（h-BN）的断裂韧性高达86.4 ± 45.2 J/m2，并且观察到稳定的裂纹传播现象（Nature 2021, 594, 57-61）。考虑到h-BN与石墨烯具有相近的晶格结构、力学强度和弹性，二者断裂韧性测量值的巨大差异非常奇特。Yang等将h-BN高的断裂韧性归因于非对称的裂纹边缘弹性，这种非对称性使得裂纹在传播过程中发生分叉和偏转。然而，同样具有非对称边缘结构的二硫化钼和二硒化钼所测得的韧性却较差。这些结果表明，二维材料中存在着丰富的断裂物理，迫切需要建立普适性理论以对相关行为达到更为深入的理解。

研究意义：

郭万林院士和张助华教授团队提出了尺度依赖外推方法，在第一性原理精度上，准确预测了17种二维六方材料的断裂韧性。这一方法避免了实验测量中的技术挑战和外部因素的影响（如缺陷和污染），同时改善了传统格里菲斯断裂定律未能考虑晶格弛豫和塑性变形所导致的韧性低估。

研究结果：

h-BN裂尖分叉和不规则边缘形貌

结果表明，强边缘能各向异性会导致材料中裂纹发生分叉和增韧（如h-BN），而弱边缘能各向异性会导致裂纹的直线性劈裂（如石墨烯）。分叉裂纹尖端的化学键强度与断裂边缘能之间的相互竞争导致了先前实验观察到的交替偏转和不规则边缘形貌。最终，作者发展了一种稳健的描述符，用于判定具有与h-BN相似断裂行为的二维材料，并基于该描述符对传统格里菲斯定律进行了修正。进一步，作者得到了一个物理可解释的公式，能够基于元素本征的特征来快速评估二维材料的断裂韧性，为韧性纳米器件的设计和应用奠定了理论基础。

图1. 尺寸外推法预测石墨烯和h-BN的裂尖结构和断裂韧性

图2. 二维六方材料裂尖结构和断裂韧性的物理描述符

作者信息：

第一作者为于茂林博士，通讯作者为郭万林院士和张助华教授，共同作者包括赵志强博士。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509624000450

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105579

Yu, Maolin, Zhiqiang Zhao, Wanlin Guo, and Zhuhua Zhang. Fracture Toughness of Two-Dimensional Materials Dominated by Edge Energy Anisotropy. J. Mech.Phys. Solids 2024, 186, 105579.