中國粉體網訊 先進陶瓷材料由于其低密度、高強度、耐高溫、耐腐蝕等優異性能在諸多戰略領域中有著重要應用。然而，陶瓷的本征脆性問題直接導致了其在服役過程中可靠性差，嚴重制約了陶瓷材料的進一步發展和應用。陶瓷脆性的本質主要由化學鍵性質和晶體結構所決定，在陶瓷中缺少獨立的滑移系，材料一旦處于受力狀態就難以通過滑移所引起的塑性形變來松弛應力。從顯微結構上看，脆性的根源在于微裂紋的存在，易于引起應力高度集中，繼而微裂紋擴展以致斷裂。
因此，陶瓷材料增韌和增塑一直是該領域的關鍵問題和前沿技術，也是難度最大、最具挑戰性的課題之一。北京科技大學陳克新研究團隊多年來一直致力于開發具有室溫塑性的特種陶瓷材料。2022年，該團隊成功在共價鍵氮化硅陶瓷中實現了室溫壓縮塑性，其壓縮形變量高達20%，同時壓縮強度提高至原來的2.3倍（~11GPa），實現了陶瓷材料強度與塑性的協同提升。相對于壓縮塑性，陶瓷的拉伸塑性變形更具挑戰性。
在金屬材料中，位錯的存在可以使其發生塑性變形。但是，陶瓷材料中的離子鍵/共價鍵具有很強的鍵合強度和各向異性，使得陶瓷內的位錯形核能極高，難以提供相應的滑移體系。因此，通常情況在陶瓷內產生位錯并發生塑性變形之前，就已經發生了斷裂失效。如何改善陶瓷材料的塑性，是結構材料和功能材料領域最核心且最具挑戰性的課題之一。
7月26日，國際高水平期刊《Science》刊發了北京工業大學材料科學與工程學院王金淑教授科研團隊聯合北京科技大學陳克新教授以及香港大學黃明欣教授研發的科研成果《Borrowed dislocations for ductility in ceramics》。該項研究成果為世界上首次實現陶瓷的室溫拉伸塑性，陶瓷拉伸延伸率可達39.9%，強度約為2.3 GPa。這是北京工業大學又一篇以第一作者單位在《Science》期刊上發表的論文，標志著學校在材料領域取得重要科研進展。
王金淑教授聯合北京科技大學陳克新教授以及香港大學黃明欣教授，首創性地提出了一種“借位錯”策略，即通過構建金屬-陶瓷有序鍵合界面，成功實現了金屬和陶瓷之間位錯的傳輸（借位錯），克服了陶瓷自身位錯難以形成的難點。
與金屬Mo具有有序界面結構的La2O3陶瓷可成功從金屬中“借位錯”，從而首次展示出高達39.9%的室溫拉伸變形
研究人員在Mo金屬和La2O3陶瓷之間設計了一種有序結合的共格界面，二者之間的強化學鍵結合方式有效提高了界面強度，同時還保證了金屬-陶瓷之間晶格的連續性，使陶瓷可以源源不斷地向金屬“借”位錯，因此可以實現在室溫下陶瓷內位錯的大量增殖和滑移，在相同變形量后陶瓷內位錯密度與金屬內位錯密度值相當，從而實現了陶瓷像金屬一樣的拉伸塑性，打破了陶瓷不可能具有拉伸塑性的傳統認知。
來源：北京工業大學、新金屬材料國家重點實驗室
（中國粉體網編輯整理/空青）
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