撰稿|课题组供稿
轻质高强、耐极端环境是结构材料追求的理想目标。陶瓷材料与金属、高分子材料相比具有最高的比强度和耐极端环境的特性，为航空航天、先进装备、能源、半导体等领域的跨越式发展起到关键支撑。但是，陶瓷材料的本征脆性引起的可靠性问题成为了限制其关键应用的最大障碍。若能开发出塑性陶瓷，将会产生众多变革性技术和突破。2022年，陈克新研究团队在Science报道，通过相变滑移机制首次实现了氮化硅陶瓷20%以上的压缩塑性。相对于压缩塑性，陶瓷的拉伸塑性变形更具挑战性。
从理化性质角度分析，材料是否具有塑性主要取决于其价键特性。金属材料是一类由金属键构成的物质，金属键的各向同性容易形成位错滑移，由此产生塑性。而陶瓷材料是由极强的离子键或共价键组成的化合物，键合的强方向性使得陶瓷的位错形核能很高，难以产生大量位错，因此陶瓷无法具有金属一样的塑性。目前，通过共格相界面的设计、或利用层状化合物层间范德华力的滑移可以使陶瓷产生一定的压缩塑性，但陶瓷的拉伸塑性却一直难以实现。
如何让陶瓷持续拥有大量位错就成为陶瓷具有拉伸塑性的关键。陈克新教授及其合作者在前期工作基础上，巧妙提出了一种“借位错”的思想。通过构建金属-陶瓷有序键合界面，成功实现了金属和陶瓷之间位错的传输（借位错），克服了陶瓷自身位错难以形成的难点。通过将金属位错（他山之石）持续“借”入到陶瓷中，实现了借用位错在陶瓷中的连续滑移，从而获得了39.9%的拉伸塑性变形（攻玉）。有序键合界面即降低了位错在界面传递时的能量壁垒，又缓解了位错在界面处积累而导致的应力集中。研究人员通过透射电镜原位拉伸实验观察到了金属位错穿过有序键合界面成为陶瓷位错机制的传输过程，并通过第一性原理计算从能量角度进一步证实了机制的正确性。本工作巧妙利用“他山之石，可以攻玉”的思想，成功实现了陶瓷材料的拉伸塑性，颠覆了“陶瓷室温不能产生拉伸变形”的传统认知。
图 具有有序界面结构的La2O3陶瓷的拉伸塑性可达39.9%
论文于2024年7月26日以题为“借位错实现陶瓷拉伸塑性（Borrowed dislocations for ductility in ceramics）”发表在Science上，北京科技大学陈克新研究员为第一通讯作者，北京工业大学王金淑和香港大学黄明欣教授为共同通讯作者。董丽然、张杰和李亦庄为共同第一作者。高艺璇和王铭为合作作者。北京工业大学、甬江实验室、香港大学为共同合作完成单位。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0559
陈克新研究员个人主页：
https://skl.ustb.edu.cn/rcdw/zjxqy/6302068b85c44ef1b05a814a41695b87.htm
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