拉伸形變量達39.9%，科學家用「借位錯」方法實現陶瓷室溫拉伸塑性

近期，北京科技大學、甬江實驗室的陳克新研究員領導的研究團隊與北京工業大學和香港大學合作，將陶瓷材料在室溫條件下具有大變形拉伸塑性成為可能。

研究團隊通過一種向氧化鑭（La2O3）陶瓷中引入金屬位錯的創新方法，首次在室溫下實現了陶瓷材料的拉伸塑性，陶瓷的拉伸塑性形變量可達 39.9%，強度達到 2.3GPa 。

該技術的應用前景廣闊。陶瓷材料具有優異的耐高溫特性，如果能突破陶瓷脆性和可靠性低問題的限制，那麼陶瓷材料在航空發動機葉片和渦輪葉片等關鍵部件中將具有巨大的應用潛力。

這種「借位錯」策略可使陶瓷材料在彎曲實驗中表現出色。陶瓷能夠承受約 90 度彎曲而不斷裂，顯示出卓越的塑性變形能力。

不僅是陶瓷材料，研究人員所提出的這種「借位錯」策略還可以用於復合材料的製造，提高復合材料的強度和韌性，甚至有望進一步解決功能材料中的瓶頸問題。

「該研究為航空發動機關鍵部件的可靠性問題提出了一種全新的解決方案，有望顯著提升發動機的推重比，從而提升飛機的飛行速度和安全性。」陳克新補充道。

需要解釋的是，陶瓷材料的塑性變形能力測試主要分為壓縮和拉伸兩種受力方式。

壓縮塑性是指材料在受到壓應力作用後，產生變形的能力；拉伸塑性則是材料在受到拉應力作用後，產生變形的能力。

陳克新領導的研究團隊以先進結構陶瓷材料的微觀結構調控及應用性能提升為主要研究方向。

2022 年，他們在 Science 上報導了一種相變滑移機制，實現了室溫陶瓷可達 20% 的壓縮塑性形變量，同時該陶瓷的強度為普通氮化矽陶瓷的 2.3 倍 [2]。

然而，和壓縮塑性相比，拉伸塑性對於材料來說更具有挑戰性。

陶瓷材料、金屬材料和高分子材料中，陶瓷材料通常是脆性的，不易產生變形；而金屬和高分子較容易展現出塑性，能夠發生變形。

例如，鋁、銅等金屬材料在受力時容易發生變形。然而，即便是對於金屬材料而言，拉伸塑性也比壓縮塑性更難實現。

金屬材料實現拉伸塑性，通常是通過位錯滑移來實現的。然而，在陶瓷中啟動位錯所需的能量非常高，導致位錯難以形成。因此，陶瓷通常無法產生足夠的位錯，或者產生的位錯數量不足以實現陶瓷變形。

在該研究中，研究人員通過在陶瓷晶粒外部附加金屬，並在陶瓷與金屬之間構建一個有序結合的界面，從而實現了在拉伸過程中，將金屬產生的位錯通過有序結合的界面傳遞到陶瓷內部。一旦源源不斷地「借來」位錯，陶瓷便可以像金屬一樣具有塑性。

通過從金屬材料中「借」來位錯，並傳遞到陶瓷的方法，有效避免了通過越過形核勢壘產生位錯的方式，從而顯著降低陶瓷內產生位錯所需能量，進而實現了陶瓷材料 39.9% 的拉伸塑性。

陳克新表示，這一成果的實現並非易事。雖然從投稿到論文接收僅用了三個多月的時間，但背後的研究工作卻曆盡艱辛。

陳克新既有在高校科研工作經歷，也曾在國家自然科學基金委員會任職。跨領域的工作經歷給他提供了許多靈感，他和合作者一起將金屬學科中的「位錯滑移」概念引入陶瓷材料，經過深入研究和實驗驗證，最終實現了陶瓷的拉伸塑性。

研究人員通過實驗發現，簡單地將金屬貼在陶瓷上是不夠的。如果在陶瓷與金屬之間無法構建一個位錯傳輸的「橋樑」，那麼金屬中的位錯很難傳遞到陶瓷中。相反，金屬位錯會在陶瓷與金屬界面處釘紮而導致應力集中作用，加速界面的斷裂。

為瞭解決這個問題，該課題組在陶瓷與金屬之間構建了一個有序鍵合的界面，該界面成功地將金屬中的位錯傳遞到陶瓷中。

在研究過程中，研究人員還面臨一項巨大的挑戰，是如何解釋和表徵位錯傳遞機制。雖然很早就形成了研究思路，並且性能也達到預期，但是他們還需通過一系列原位表徵和理論推導來證實位錯傳遞過程能夠實現。

最終，通過理論計算和原位實驗，研究團隊不僅觀察到了位錯在界面處的傳遞過程，給出了位錯傳遞的機制，還從能量角度證明了位錯傳遞的可能性。

審稿人對該研究評價稱，「該研究首次報告通過為陶瓷提供持續的位錯源來實現拉伸塑性，提供了強有力的原位透射電子顯微鏡證據，展示了陶瓷中位錯從金屬中借用的機制。這項開創性工作顯示出了高塑性陶瓷在工業應用中的巨大潛力。」

日前，相關論文以《借位錯實現陶瓷拉伸塑性變形》（Borrowed dislocations for ductility in ceramics）為題發表在 Science[1]。

董麗然研究員、張傑研究員和李亦莊研究員是共同第一作者，陳克新研究員、北京工業大學王金淑教授和香港大學黃明欣教授擔任共同通訊作者。

目前，研究人員計劃將這一技術應用於氧化鋁、氧化鋯，以及共價鍵化合物等結構性能更佳的材料，希望通過實現陶瓷材料的拉伸塑性，為實際應用奠定基礎。

同時，他們還計劃探索陶瓷-金屬位錯的傳播機制，這一科學問題有望豐富材料科學的理論研究。

在工程化和大規模製備方面，陳克新認為，雖然該課題組已經解決了科學原理上的問題，但在大尺寸、均勻性等工藝優化和過程控制方面，仍需進一步摸索。

未來，研究人員將與用戶單位密切合作，共同推進陶瓷材料的應用和工業化進程。

1.L.,Dong, J.,Zhang, Y,. Li et al. Borrowed dislocations for ductility in ceramics. Science 385,6707,422-427(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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