北京工业大学，今日第一单位重磅Science！

继2022年3月17日，北京工业大学首次以第一单位在Science 发表研究论文以来，时隔两年，今日再发Science！

此外据悉，早在2024年1月3日，北京工业大学刚以第一完成单位在《Nature》发表首篇论文。

陶瓷材料固有的脆性，主要由于刚性离子或共价键结构限制了原子的运动，是一个长期存在的挑战。

这一特性阻碍了陶瓷材料中位错的形核，从而阻碍了通过金属中常用的位错工程策略来提高其塑性。

寻找一种能够在陶瓷材料中持续生成位错的策略，可能会提高其塑性。

在此，来自香港大学的黄明欣、北京科技大学的陈克新以及北京工业大学的王金淑等研究者提出了一种“借用位错”策略，利用具有良好有序键的定制界面结构。相关论文以题为“Borrowed dislocations for ductility in ceramics”于2024年07月25日发表在Science上。

陶瓷材料，在许多应用领域中表现出优异的特性，包括高硬度、高强度、出色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、电子和半导体等多领域中具有广泛用途。

然而，由于强化学键的存在，陶瓷在常温下本质上是脆性的，这导致位错形核所需的阈值应力很高，并阻碍了位错的起始。在极端条件下预先引入大量的位错是可行的；这可以实现约10¹⁵m^-2的位错密度，从而有效提高陶瓷的韧性。

然而，一旦这些预先引入的位错耗尽，要在持续变形中形核新的位错变得困难，从而触发化学键的断裂并最终导致灾难性的失效。因此，陶瓷中位错形核的高阈值应力大大限制了通过位错工程策略来改善塑性的潜力。

因此，许多策略被用来通过替代机制实现陶瓷更好的塑性。例如，在研究者的前期工作中，研究者通过在相干界面上的键交换改善了氮化硅陶瓷的压缩塑性。

然而，在陶瓷中实现拉伸延展性仍然是一项更具挑战性的任务，主要是由于在拉伸载荷下位错形核的难度，即使是微小的缺陷也会在位错起始前引发过早的开裂。

为了赋予陶瓷材料拉伸延展性，一种值得探索的途径是引发这些材料内连续的位错生成。为此，研究者提出了一种“借用位错”策略。该策略通过从金属中持续借用外部形核的位错并将其引入陶瓷，从而绕过直接在陶瓷中形核位错的困难。这样，借用位错所需的临界应力显著低于陶瓷中位错形核的理论阈值，从而为陶瓷中位错的连续传播和增殖提供了更为便捷的途径。

为了实施借用位错策略，需要建立一个专门的金属–陶瓷位错传输通道。一个化学上有序键合的金属–陶瓷界面(研究者称之为有序键合界面)是必需的，以承受借用位错所引起的巨大应力。

此外，确保金属与陶瓷之间晶面连续性和对齐，对最小化跨界面位错滑移的能垒至关重要。同时，这种对齐有助于减轻界面处位错积累引起的应力集中。

基于以上这两个标准，在此，研究者定制了有序键合界面，旨在构建金属与陶瓷之间的位错传输通道，强调不仅仅通过比较晶格对称性和参数来建立界面。研究者确定了氧化镧(La₂O₃)陶瓷作为一种能够与钼(Mo)金属形成这种有序键合界面的材料。

研究者进行了密度泛函理论(DFT)计算，以阐明该界面上的高相干性和强化学键。研究者的DFT结果显示，在La₂O₃陶瓷和Mo金属之间的有序键合界面上，粘附能(或分离能)显著增加，超过了无序键合界面的粘附能。

这种增强的粘附能有望提高借用位错的滑移传递过程，使La₂O₃-Mo体系成为验证研究者借用位错策略的有希望候选者。因此，研究者通过定制有序键合的La₂O₃-Mo异质界面结构，制备了借用位错的La₂O₃陶瓷(DB La₂O₃)，以展示这一策略。

这种方法通过在界面处从金属借用大量位错并将其引入陶瓷，从而显著提高陶瓷的拉伸延展性，克服了陶瓷内部直接形核位错的难题。这一策略为增强陶瓷的拉伸延展性提供了一条可行途径。

图1 DB La₂O₃的微观结构和化学键合计算。

图2 透射电子显微镜(TEM)下的室温原位拉伸测试。

图3 陶瓷中的位错行为。

图4 在透射电子显微镜(TEM)下对DB La₂O₃样品进行原位拉伸和弯曲测试。

图5 研究者提出的位错机制。

综上所述，尽管La₂O₃作为一种具有六方晶体结构的陶瓷材料，传统上在室温下缺乏延展性，但借用位错策略使La₂O₃陶瓷能够通过借用大量金属辅助位错束来提高拉伸延展性。

此外，研究者已将这一策略扩展到其他陶瓷–金属体系，如CeO₂-Mo。在具有萤石结构的CeO₂中，研究者也观察到大量位错，从而表现出良好的拉伸延展性。

【参考文献】

L. R. Dong et al. ,Borrowed dislocations for ductility in ceramics. Science 385,422-427(2024). DOI:10.1126/science.adp0559

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

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