北京科技大学Science：首次实现陶瓷的室温大变形拉伸塑性

文摘 2024-07-29 18:00 内蒙古

来源 | 北京科技大学

7月26日，国际顶级期刊《科学》（Science）刊发了北京科技大学新金属材料国家重点实验室陈克新研究员团队联合北京工业大学王金淑教授团队以及香港大学黄明欣教授的最新科研成果《借位错实现陶瓷拉伸塑性变形》（Borrowed dislocations for ductility in ceramics）。该项研究成果在世界上首次实现陶瓷的室温大变形拉伸塑性，标志着北京科技大学在结构陶瓷领域取得重要进展，北京科技大学为该论文的第一通讯作者单位。

先进陶瓷材料因具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、密度低等优异性能已成为许多高新技术领域发展的关键材料。但是陶瓷材料本征脆性引发的可靠性差，严重制约了陶瓷材料的进一步发展。因此，陶瓷材料增韧和增塑的研究一直是该领域的核心内容和前沿技术，也是难度最大、最具挑战性的课题之一。

陈克新研究团队一直致力于塑性陶瓷方面的研究，曾成功实现了共价键氮化硅陶瓷的室温压缩塑性，陶瓷的形变量高达20%，同时其压缩强度提高至原来的2.3倍（~11GPa）。该成果于2022年10月28日在世界顶级期刊Science（Science, 2022, 378, 371-376）发表后，得到材料科学领域的高度评价。近日，陈克新研究团队在实现陶瓷压缩塑性的基础上，联合北京工业大学王金淑教授和香港大学黄明欣教授团队，首创性地提出了向金属“借位错”的策略，进一步实现了陶瓷的大变形拉伸塑性，陶瓷的拉伸形变量可达39.9%，强度约为2.3 GPa，颠覆了人们关于“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的一贯认知。时隔1年多，该团队的研究成果再次发表在《科学》（Science）期刊上。

众所周知，陶瓷材料很难像金属一样产生塑性变形，这是由陶瓷材料的化学键属性决定的。由于极强的离子键或共价键特性，使得陶瓷内的位错形核能极高。因此，通常情况是在陶瓷材料内产生位错并发生塑性变形之前，就已经早早地发生了断裂失效。针对这一难点，陈克新研究团队首创性地提出了一种“借位错”思想，即如果将金属中的位错“借”给陶瓷，那么就可以有效地克服陶瓷中位错形核难的问题。一旦陶瓷内存在大量的位错滑动，那么陶瓷就有可能像金属一样具有塑性。但是，金属位错在迁移到金属-陶瓷相界面处时通常会在界面处钉扎聚集，因此金属位错很难成功地被“借”到陶瓷内部。大量的金属位错塞积反而会导致金属-陶瓷界面的开裂，加速材料的失效。为此，研究团队在金属和陶瓷之间设计了一种有序结合的共格界面，该界面通过化学键结合的方式，有效地提高了界面的结合强度，从而确保界面不开裂；与此同时，该有序界面还保证了金属-陶瓷晶面的连续性，该种连续的晶面可以有效降低位错传递的势垒，使金属位错可以轻松地“借”到陶瓷内部。正因为这种有序界面可以实现金属位错源源不断地向陶瓷内传递，从而使“借位错”的陶瓷具有了像金属一样的拉伸塑性。

具有有序界面结构的La₂O₃陶瓷可成功从金属中“借”位错，并成功实现陶瓷的拉伸和弯曲变形

相关成果同期被《科学》期刊选为“研究亮点”（Research Highlights），编辑以“借缺陷”（Borrowing defect）为题予以重点介绍。北京科技大学为该论文第一通讯作者单位，陈克新研究员为该论文的第一通讯作者，北京工业大学王金淑教授和香港大学黄明欣教授为共同通讯作者。董丽然、张杰和李亦庄为共同第一作者，作者高艺璇副研究员为该工作提供了理论计算支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0559

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