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最新Science：我国科学家首次实现陶瓷室温拉伸塑性

邃瞳科学云 · 公众号 · · 2024-07-30 09:30

正文

第一作者：董丽然（北京工业大学/甬江实验室/香港大学）、张杰（甬江实验室）、李亦庄（香港大学）

通讯作者：陈克新（北京科技大学）、王金淑（北京工业大学）、黄明欣（香港大学）

论文完成单位：北京科技大学、北京工业大学、甬江实验室、香港大学

论文DOI：10.1126/science.adp0559

全文速览

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。本文提出了一种“借错位”策略，即在金属和陶瓷之间构筑具有有序键合的共格界面结构。这种方法通过共格界面将金属中的大量位错结构传递到陶瓷内，从而克服了陶瓷位错成核能较高的难题，大大提高了陶瓷的延展性和抗拉强度，为突破陶瓷的室温脆性问题提供了一种新的技术思路。

背景介绍

陶瓷在一系列应用中表现出极具吸引力的特性，包括高硬度、高强度、优异的耐腐蚀性和显著的耐高温性。这些特性使陶瓷在航空航天和汽车工程、能源储存、电子和半导体等多个领域都有用武之地。然而，由于化学键较强，陶瓷在常温下本质上是脆性的，这导致了其中位错成核所需的高阈值应力，并阻碍了位错的产生。在极端条件下，在陶瓷中预先诱导大量的位错是可行的，在一定程度上可以增强陶瓷的韧性。然而，一旦这些预先诱导的位错耗尽，就很难再成核产生新的位错以实现持续变形，最终导致陶瓷材料的断裂。因此，陶瓷中位错成核的高阈值应力大大限制了通过位错工程策略改善塑性的潜力。尤其，在陶瓷中实现拉伸延展性是一项更为艰巨的挑战，这主要是因为在拉伸载荷作用下很难发生位错成核现象，即使是微小的缺陷也可能在位错发生之前引发过早开裂。

本文亮点

首创性地提出了向金属“借位错”的策略，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。

图文解析

本文通过构筑金属-陶瓷有序共格界面，将金属中的位错结构持续“借入”到陶瓷中，引发陶瓷中的连续滑移行为，从而在陶瓷中获得高达39.9%的拉伸变形量，颠覆了“陶瓷不能产生室温拉伸塑性”的传统认知。论文利用球差矫正透射电子显微镜清楚解析了金属Mo与陶瓷La ₂ O ₃ 之间的有序共格界面结构，并通过透射电镜中的原位拉伸实验直接观察到了金属位错穿过有序键合界面成为陶瓷位错机制的传输过程，进而通过第一性原理计算从势垒角度验证了“借位错”机制的正确性。

图1 Mo-La ₂ O ₃ 有序结合界面结构

图2 从金属Mo中“借位错”的La ₂ O ₃ 陶瓷首次展示出高达39.9%的室温拉伸变形

总结与展望

本研究表明，虽然 La ₂ O ₃ 是一种具有六方晶体结构的陶瓷材料，传统意义上缺乏室温延展性，但是通过合理设计陶瓷-金属有序共格界面，使金属在拉伸过程中产生的位错缺陷迁移到陶瓷中，从而赋予 La ₂ O ₃ 陶瓷优异的拉伸延展性，突破了陶瓷材料的拉伸塑性难题。本研究为改善陶瓷的脆性问题提供了一种全新有效的策略。

论文链接 https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0559

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