拉伸形变量达39.9%，科学家用借位错方法实现陶瓷室温拉伸塑性

近期，北京科技大学、甬江实验室的陈克新研究员领导的研究团队与北京工业大学和香港大学合作，将陶瓷材料在室温条件下具有大变形拉伸塑性成为可能。

研究团队通过一种向氧化镧（La2O3）陶瓷中引入金属位错的创新方法，首次在室温下实现了陶瓷材料的拉伸塑性，陶瓷的拉伸塑性形变量可达 39.9%，强度达到 2.3GPa 。

该技术的应用前景广阔。陶瓷材料具有优异的耐高温特性，如果能突破陶瓷脆性和可靠性低问题的限制，那么陶瓷材料在航空发动机叶片和涡轮叶片等关键部件中将具有巨大的应用潜力。

这种“借位错”策略可使陶瓷材料在弯曲实验中表现出色。陶瓷能够承受约 90 度弯曲而不断裂，显示出卓越的塑性变形能力。

不仅是陶瓷材料，研究人员所提出的这种“借位错”策略还可以用于复合材料的制造，提高复合材料的强度和韧性，甚至有望进一步解决功能材料中的瓶颈问题。

“该研究为航空发动机关键部件的可靠性问题提出了一种全新的解决方案，有望显著提升发动机的推重比，从而提升飞机的飞行速度和安全性。”陈克新补充道。

图丨陈克新（左三）研究团队部分成员合影（来源：甬江实验室）

需要解释的是，陶瓷材料的塑性变形能力测试主要分为压缩和拉伸两种受力方式。

压缩塑性是指材料在受到压应力作用后，产生变形的能力；拉伸塑性则是材料在受到拉应力作用后，产生变形的能力。

陈克新领导的研究团队以先进结构陶瓷材料的微观结构调控及应用性能提升为主要研究方向。

2022 年，他们在Science上报道了一种相变滑移机制，实现了室温陶瓷可达 20% 的压缩塑性形变量，同时该陶瓷的强度为普通氮化硅陶瓷的 2.3 倍 [2]。

然而，和压缩塑性相比，拉伸塑性对于材料来说更具有挑战性。

陶瓷材料、金属材料和高分子材料中，陶瓷材料通常是脆性的，不易产生变形；而金属和高分子较容易展现出塑性，能够发生变形。

例如，铝、铜等金属材料在受力时容易发生变形。然而，即便是对于金属材料而言，拉伸塑性也比压缩塑性更难实现。

（来源：Science）

金属材料实现拉伸塑性，通常是通过位错滑移来实现的。然而，在陶瓷中启动位错所需的能量非常高，导致位错难以形成。因此，陶瓷通常无法产生足够的位错，或者产生的位错数量不足以实现陶瓷变形。

在该研究中，研究人员通过在陶瓷晶粒外部附加金属，并在陶瓷与金属之间构建一个有序结合的界面，从而实现了在拉伸过程中，将金属产生的位错通过有序结合的界面传递到陶瓷内部。一旦源源不断地“借来”位错，陶瓷便可以像金属一样具有塑性。

通过从金属材料中“借”来位错，并传递到陶瓷的方法，有效避免了通过越过形核势垒产生位错的方式，从而显著降低陶瓷内产生位错所需能量，进而实现了陶瓷材料 39.9% 的拉伸塑性。

图丨借位错后氧化镧陶瓷的拉伸测试实验（来源：Science）

陈克新表示，这一成果的实现并非易事。虽然从投稿到论文接收仅用了三个多月的时间，但背后的研究工作却历尽艰辛。

陈克新既有在高校科研工作经历，也曾在国家自然科学基金委员会任职。跨领域的工作经历给他提供了许多灵感，他和合作者一起将金属学科中的“位错滑移”概念引入陶瓷材料，经过深入研究和实验验证，最终实现了陶瓷的拉伸塑性。

研究人员通过实验发现，简单地将金属贴在陶瓷上是不够的。如果在陶瓷与金属之间无法构建一个位错传输的“桥梁”，那么金属中的位错很难传递到陶瓷中。相反，金属位错会在陶瓷与金属界面处钉扎而导致应力集中作用，加速界面的断裂。

为了解决这个问题，该课题组在陶瓷与金属之间构建了一个有序键合的界面，该界面成功地将金属中的位错传递到陶瓷中。

在研究过程中，研究人员还面临一项巨大的挑战，是如何解释和表征位错传递机制。虽然很早就形成了研究思路，并且性能也达到预期，但是他们还需通过一系列原位表征和理论推导来证实位错传递过程能够实现。

图丨透射电镜下的氧化镧陶瓷弯曲试验（来源：Science）

最终，通过理论计算和原位实验，研究团队不仅观察到了位错在界面处的传递过程，给出了位错传递的机制，还从能量角度证明了位错传递的可能性。

审稿人对该研究评价称，“该研究首次报告通过为陶瓷提供持续的位错源来实现拉伸塑性，提供了强有力的原位透射电子显微镜证据，展示了陶瓷中位错从金属中借用的机制。这项开创性工作显示出了高塑性陶瓷在工业应用中的巨大潜力。”

日前，相关论文以《借位错实现陶瓷拉伸塑性变形》（Borrowed dislocations for ductility in ceramics）为题发表在Science[1]。

董丽然研究员、张杰研究员和李亦庄研究员是共同第一作者，陈克新研究员、北京工业大学王金淑教授和香港大学黄明欣教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Science）

目前，研究人员计划将这一技术应用于氧化铝、氧化锆，以及共价键化合物等结构性能更佳的材料，希望通过实现陶瓷材料的拉伸塑性，为实际应用奠定基础。

同时，他们还计划探索陶瓷-金属位错的传播机制，这一科学问题有望丰富材料科学的理论研究。

在工程化和大规模制备方面，陈克新认为，虽然该课题组已经解决了科学原理上的问题，但在大尺寸、均匀性等工艺优化和过程控制方面，仍需进一步摸索。

未来，研究人员将与用户单位密切合作，共同推进陶瓷材料的应用和工业化进程。

参考资料：

1.L.,Dong, J.,Zhang, Y,. Li et al. Borrowed dislocations for ductility in ceramics.Science385,6707,422-427(2024). https://doi.org/10.1126/science.adp0559

2.J.,Zhang, W., Cui. et al. Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces.Science, 378,6618, 371-376(2022). https://doi.org/10.1126/science.abq7490

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