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我国科研团队实现“陶瓷可拉伸”

文章来源：科技日报更新时间：2024-07-31 10:46:33

7月26日，记者从北京科技大学获悉，该校陈克新研究员团队联合北京工业大学王金淑教授团队、香港大学黄明欣教授，在全球范围内首次实现陶瓷的室温大变形拉伸塑性。这一最新研究成果发表在当天的《科学》上。

　　据介绍，先进陶瓷材料因具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、密度低等优异性能，已成为许多高新技术领域发展的关键材料。但是陶瓷材料本征脆性引发的可靠性差，严重制约了陶瓷材料的进一步发展。因此，陶瓷材料增韧和增塑的研究一直是该领域难度最大、最具挑战性的课题之一。

　　陈克新研究团队一直致力于塑性陶瓷方面的研究，曾成功实现了共价键氮化硅陶瓷的室温压缩塑性，使得陶瓷的形变量高达20%，将其压缩强度提高至原来的2.3倍，相关成果于2022年发表于《科学》。

　　近日，陈克新研究团队在实现陶瓷压缩塑性的基础上，与合作者首创性地提出了向金属“借位错”的策略，进一步实现了陶瓷的大变形拉伸塑性。陶瓷的拉伸形变量可达39.9%，强度约为2.3GPa，颠覆了人们关于“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的一贯认知。

　　众所周知，陶瓷材料很难像金属一样产生塑性变形，这是由陶瓷材料的化学键属性决定的。由于极强的离子键或共价键特性，使得陶瓷内的位错形核能极高。因此，通常情况是，陶瓷材料在产生位错并发生塑性变形前，就已经早早发生了断裂失效。

　　针对这一难点，研究团队首创性地提出了一种“借位错”思想，即如果将金属中的位错“借”给陶瓷，那么就可以有效地克服陶瓷中位错形核难的问题。一旦陶瓷内存在大量的位错滑动，那么陶瓷就有可能像金属一样具有塑性。

　　但是，金属位错在迁移到金属-陶瓷相界面处时通?；嵩诮缑娲Χぴ奂?，因此金属位错很难成功地被“借”到陶瓷内部。大量的金属位错塞积反而会导致金属-陶瓷界面的开裂，加速材料的失效。

　　为此，研究团队在金属和陶瓷之间设计了一种有序结合的共格界面，该界面通过化学键结合的方式，有效地提高了界面的结合强度，从而确保界面不开裂。与此同时，该有序界面还保证了金属-陶瓷晶面的连续性，该种连续的晶面可以有效降低位错传递的势垒，使金属位错可以轻松地“借”到陶瓷内部。这种有序界面可以实现金属位错源源不断地向陶瓷内传递，从而使“借位错”的陶瓷具有了像金属一样的拉伸塑性。

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