2024年7月26日，國際頂級期刊《科學》(Science)刊發(fā)了北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室陳克新研究員團隊聯(lián)合北京工業(yè)大學王金淑教授團隊以及香港大學黃明欣教授的最新科研成果《借位錯實現(xiàn)陶瓷拉伸塑性變形》(Borrowed dislocations for ductility in ceramics)。該項研究成果在世界上首次實現(xiàn)陶瓷的室溫大變形拉伸塑性，標志著學校在結構陶瓷領域取得重要進展，北京科技大學為該論文的第一通訊作者單位。

　　先進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領域發(fā)展的關鍵材料。但是陶瓷材料本征脆性引發(fā)的可靠性差，嚴重制約了陶瓷材料的進一步發(fā)展。因此，陶瓷材料增韌和增塑的研究一直是該領域的核心內(nèi)容和前沿技術，也是難度最大、最具挑戰(zhàn)性的課題之一。

　　陳克新研究團隊一直致力于塑性陶瓷方面的研究，曾成功實現(xiàn)了共價鍵氮化硅陶瓷的室溫壓縮塑性，陶瓷的形變量高達20%，同時其壓縮強度提高至原來的2.3倍(~11GPa)。該成果于2022年10月28日在世界頂級期刊Science(Science, 2022, 378, 371-376)發(fā)表后，得到材料科學領域的高度評價。近日，陳克新研究團隊在實現(xiàn)陶瓷壓縮塑性的基礎上，聯(lián)合北京工業(yè)大學王金淑教授和香港大學黃明欣教授團隊，首創(chuàng)性地提出了向金屬“借位錯”的策略，進一步實現(xiàn)了陶瓷的大變形拉伸塑性，陶瓷的拉伸形變量可達39.9%，強度約為2.3 GPa，顛覆了人們關于“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的一貫認知。時隔1年多，該團隊的研究成果再次發(fā)表在《科學》(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鍵屬性決定的。由于極強的離子鍵或共價鍵特性，使得陶瓷內(nèi)的位錯形核能極高。因此，通常情況是在陶瓷材料內(nèi)產(chǎn)生位錯并發(fā)生塑性變形之前，就已經(jīng)早早地發(fā)生了斷裂失效。針對這一難點，陳克新研究團隊首創(chuàng)性地提出了一種“借位錯”思想，即如果將金屬中的位錯“借”給陶瓷，那么就可以有效地克服陶瓷中位錯形核難的問題。一旦陶瓷內(nèi)存在大量的位錯滑動，那么陶瓷就有可能像金屬一樣具有塑性。但是，金屬位錯在遷移到金屬-陶瓷相界面處時通常會在界面處釘扎聚集，因此金屬位錯很難成功地被“借”到陶瓷內(nèi)部。大量的金屬位錯塞積反而會導致金屬-陶瓷界面的開裂，加速材料的失效。為此，研究團隊在金屬和陶瓷之間設計了一種有序結合的共格界面，該界面通過化學鍵結合的方式，有效地提高了界面的結合強度，從而確保界面不開裂;與此同時，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傳遞的勢壘，使金屬位錯可以輕松地“借”到陶瓷內(nèi)部。正因為這種有序界面可以實現(xiàn)金屬位錯源源不斷地向陶瓷內(nèi)傳遞，從而使“借位錯”的陶瓷具有了像金屬一樣的拉伸塑性。

具有有序界面結構的La2O3陶瓷可成功從金屬中“借”位錯，并成功實現(xiàn)陶瓷的拉伸和彎曲變形

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

　　北京科技大學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)大學王金淑教授和香港大學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算支持。

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