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繼2022年3月17日，北京工業(yè)大學(xué)首次以第一單位在Science?發(fā)表研究論文以來(lái)，時(shí)隔兩年，今日再發(fā)Science！

此外據(jù)悉，早在2024年1月3日，北京工業(yè)大學(xué)剛以第一完成單位在《Nature》發(fā)表首篇論文。

陶瓷材料固有的脆性，主要由于剛性離子或共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)限制了原子的運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。

這一特性阻礙了陶瓷材料中位錯(cuò)的形核，從而阻礙了通過(guò)金屬中常用的位錯(cuò)工程策略來(lái)提高其塑性。

尋找一種能夠在陶瓷材料中持續(xù)生成位錯(cuò)的策略，可能會(huì)提高其塑性。

在此，來(lái)自香港大學(xué)的黃明欣、北京科技大學(xué)的陳克新以及北京工業(yè)大學(xué)的王金淑等研究者提出了一種“借用位錯(cuò)”策略，利用具有良好有序鍵的定制界面結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以題為“Borrowed dislocations for ductility in ceramics”于2024年07月25日發(fā)表在Science上。

陶瓷材料，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，包括高硬度、高強(qiáng)度、出色的耐腐蝕性和顯著的耐高溫性。這些特性使陶瓷在航空航天和汽車(chē)工程、能源儲(chǔ)存、電子和半導(dǎo)體等多領(lǐng)域中具有廣泛用途。

然而，由于強(qiáng)化學(xué)鍵的存在，陶瓷在常溫下本質(zhì)上是脆性的，這導(dǎo)致位錯(cuò)形核所需的閾值應(yīng)力很高，并阻礙了位錯(cuò)的起始。在極端條件下預(yù)先引入大量的位錯(cuò)是可行的；這可以實(shí)現(xiàn)約10¹⁵m^-2的位錯(cuò)密度，從而有效提高陶瓷的韌性。

然而，一旦這些預(yù)先引入的位錯(cuò)耗盡，要在持續(xù)變形中形核新的位錯(cuò)變得困難，從而觸發(fā)化學(xué)鍵的斷裂并最終導(dǎo)致災(zāi)難性的失效。因此，陶瓷中位錯(cuò)形核的高閾值應(yīng)力大大限制了通過(guò)位錯(cuò)工程策略來(lái)改善塑性的潛力。

因此，許多策略被用來(lái)通過(guò)替代機(jī)制實(shí)現(xiàn)陶瓷更好的塑性。例如，在研究者的前期工作中，研究者通過(guò)在相干界面上的鍵交換改善了氮化硅陶瓷的壓縮塑性。

然而，在陶瓷中實(shí)現(xiàn)拉伸延展性仍然是一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，主要是由于在拉伸載荷下位錯(cuò)形核的難度，即使是微小的缺陷也會(huì)在位錯(cuò)起始前引發(fā)過(guò)早的開(kāi)裂。

為了賦予陶瓷材料拉伸延展性，一種值得探索的途徑是引發(fā)這些材料內(nèi)連續(xù)的位錯(cuò)生成。為此，研究者提出了一種“借用位錯(cuò)”策略。該策略通過(guò)從金屬中持續(xù)借用外部形核的位錯(cuò)并將其引入陶瓷，從而繞過(guò)直接在陶瓷中形核位錯(cuò)的困難。這樣，借用位錯(cuò)所需的臨界應(yīng)力顯著低于陶瓷中位錯(cuò)形核的理論閾值，從而為陶瓷中位錯(cuò)的連續(xù)傳播和增殖提供了更為便捷的途徑。

為了實(shí)施借用位錯(cuò)策略，需要建立一個(gè)專(zhuān)門(mén)的金屬–陶瓷位錯(cuò)傳輸通道。一個(gè)化學(xué)上有序鍵合的金屬–陶瓷界面(研究者稱(chēng)之為有序鍵合界面)是必需的，以承受借用位錯(cuò)所引起的巨大應(yīng)力。

此外，確保金屬與陶瓷之間晶面連續(xù)性和對(duì)齊，對(duì)最小化跨界面位錯(cuò)滑移的能壘至關(guān)重要。同時(shí)，這種對(duì)齊有助于減輕界面處位錯(cuò)積累引起的應(yīng)力集中。

基于以上這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在此，研究者定制了有序鍵合界面，旨在構(gòu)建金屬與陶瓷之間的位錯(cuò)傳輸通道，強(qiáng)調(diào)不僅僅通過(guò)比較晶格對(duì)稱(chēng)性和參數(shù)來(lái)建立界面。研究者確定了氧化鑭(La₂O₃)陶瓷作為一種能夠與鉬(Mo)金屬形成這種有序鍵合界面的材料。

研究者進(jìn)行了密度泛函理論(DFT)計(jì)算，以闡明該界面上的高相干性和強(qiáng)化學(xué)鍵。研究者的DFT結(jié)果顯示，在La₂O₃陶瓷和Mo金屬之間的有序鍵合界面上，粘附能(或分離能)顯著增加，超過(guò)了無(wú)序鍵合界面的粘附能。

這種增強(qiáng)的粘附能有望提高借用位錯(cuò)的滑移傳遞過(guò)程，使La₂O₃-Mo體系成為驗(yàn)證研究者借用位錯(cuò)策略的有希望候選者。因此，研究者通過(guò)定制有序鍵合的La₂O₃-Mo異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)，制備了借用位錯(cuò)的La₂O₃陶瓷(DB La₂O₃)，以展示這一策略。

這種方法通過(guò)在界面處從金屬借用大量位錯(cuò)并將其引入陶瓷，從而顯著提高陶瓷的拉伸延展性，克服了陶瓷內(nèi)部直接形核位錯(cuò)的難題。這一策略為增強(qiáng)陶瓷的拉伸延展性提供了一條可行途徑。

圖1 DB La₂O₃的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵合計(jì)算。

圖2 透射電子顯微鏡(TEM)下的室溫原位拉伸測(cè)試。

圖3 陶瓷中的位錯(cuò)行為。

圖4 在透射電子顯微鏡(TEM)下對(duì)DB La₂O₃樣品進(jìn)行原位拉伸和彎曲測(cè)試。

圖5 研究者提出的位錯(cuò)機(jī)制。

綜上所述，盡管La₂O₃作為一種具有六方晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，傳統(tǒng)上在室溫下缺乏延展性，但借用位錯(cuò)策略使La₂O₃陶瓷能夠通過(guò)借用大量金屬輔助位錯(cuò)束來(lái)提高拉伸延展性。

此外，研究者已將這一策略擴(kuò)展到其他陶瓷–金屬體系，如CeO₂-Mo。在具有螢石結(jié)構(gòu)的CeO₂中，研究者也觀(guān)察到大量位錯(cuò)，從而表現(xiàn)出良好的拉伸延展性。

【參考文獻(xiàn)】

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

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0559

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