2024年7月26日，國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》(Science)刊發(fā)了北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳克新研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)王金淑教授團(tuán)隊(duì)以及香港大學(xué)黃明欣教授的最新科研成果《借位錯(cuò)實(shí)現(xiàn)陶瓷拉伸塑性變形》(Borrowed dislocations for ductility in ceramics)。該項(xiàng)研究成果在世界上首次實(shí)現(xiàn)陶瓷的室溫大變形拉伸塑性，標(biāo)志著學(xué)校在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，北京科技大學(xué)為該論文的第一通訊作者單位。

　　先進(jìn)陶瓷材料因具有耐高溫、耐腐蝕、硬度高、密度低等優(yōu)異性能已成為許多高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵材料。但是陶瓷材料本征脆性引發(fā)的可靠性差，嚴(yán)重制約了陶瓷材料的進(jìn)一步發(fā)展。因此，陶瓷材料增韌和增塑的研究一直是該領(lǐng)域的核心內(nèi)容和前沿技術(shù)，也是難度最大、最具挑戰(zhàn)性的課題之一。

　　陳克新研究團(tuán)隊(duì)一直致力于塑性陶瓷方面的研究，曾成功實(shí)現(xiàn)了共價(jià)鍵氮化硅陶瓷的室溫壓縮塑性，陶瓷的形變量高達(dá)20%，同時(shí)其壓縮強(qiáng)度提高至原來(lái)的2.3倍(~11GPa)。該成果于2022年10月28日在世界頂級(jí)期刊Science(Science, 2022, 378, 371-376)發(fā)表后，得到材料科學(xué)領(lǐng)域的高度評(píng)價(jià)。近日，陳克新研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)陶瓷壓縮塑性的基礎(chǔ)上，聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)王金淑教授和香港大學(xué)黃明欣教授團(tuán)隊(duì)，首創(chuàng)性地提出了向金屬“借位錯(cuò)”的策略，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了陶瓷的大變形拉伸塑性，陶瓷的拉伸形變量可達(dá)39.9%，強(qiáng)度約為2.3 GPa，顛覆了人們關(guān)于“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的一貫認(rèn)知。時(shí)隔1年多，該團(tuán)隊(duì)的研究成果再次發(fā)表在《科學(xué)》(Science)期刊上。

　　眾所周知，陶瓷材料很難像金屬一樣產(chǎn)生塑性變形，這是由陶瓷材料的化學(xué)鍵屬性決定的。由于極強(qiáng)的離子鍵或共價(jià)鍵特性，使得陶瓷內(nèi)的位錯(cuò)形核能極高。因此，通常情況是在陶瓷材料內(nèi)產(chǎn)生位錯(cuò)并發(fā)生塑性變形之前，就已經(jīng)早早地發(fā)生了斷裂失效。針對(duì)這一難點(diǎn)，陳克新研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)性地提出了一種“借位錯(cuò)”思想，即如果將金屬中的位錯(cuò)“借”給陶瓷，那么就可以有效地克服陶瓷中位錯(cuò)形核難的問(wèn)題。一旦陶瓷內(nèi)存在大量的位錯(cuò)滑動(dòng)，那么陶瓷就有可能像金屬一樣具有塑性。但是，金屬位錯(cuò)在遷移到金屬-陶瓷相界面處時(shí)通常會(huì)在界面處釘扎聚集，因此金屬位錯(cuò)很難成功地被“借”到陶瓷內(nèi)部。大量的金屬位錯(cuò)塞積反而會(huì)導(dǎo)致金屬-陶瓷界面的開(kāi)裂，加速材料的失效。為此，研究團(tuán)隊(duì)在金屬和陶瓷之間設(shè)計(jì)了一種有序結(jié)合的共格界面，該界面通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合的方式，有效地提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度，從而確保界面不開(kāi)裂;與此同時(shí)，該有序界面還保證了金屬-陶瓷晶面的連續(xù)性，該種連續(xù)的晶面可以有效降低位錯(cuò)傳遞的勢(shì)壘，使金屬位錯(cuò)可以輕松地“借”到陶瓷內(nèi)部。正因?yàn)檫@種有序界面可以實(shí)現(xiàn)金屬位錯(cuò)源源不斷地向陶瓷內(nèi)傳遞，從而使“借位錯(cuò)”的陶瓷具有了像金屬一樣的拉伸塑性。

具有有序界面結(jié)構(gòu)的La2O3陶瓷可成功從金屬中“借”位錯(cuò)，并成功實(shí)現(xiàn)陶瓷的拉伸和彎曲變形

　　相關(guān)成果同期被《科學(xué)》期刊選為“研究亮點(diǎn)”(Research Highlights)，編輯以“借缺陷”(Borrowing defect)為題予以重點(diǎn)介紹。

　　北京科技大學(xué)為該論文第一通訊作者單位，陳克新研究員為該論文的第一通訊作者，北京工業(yè)大學(xué)王金淑教授和香港大學(xué)黃明欣教授為共同通訊作者。董麗然、張杰和李亦莊為共同第一作者，作者高藝璇副研究員為該工作提供了理論計(jì)算支持。

　　北京科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、寧波甬江實(shí)驗(yàn)室和香港大學(xué)為該工作的合作完成單位。