此外據(jù)悉，早在2024年1月3日，北京工業(yè)大學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鍵結(jié)構(gòu)限制了原子的運動，是一個長期存在的挑戰(zhàn)。這一特性阻礙了陶瓷材料中位錯的形核，從而阻礙了通過金屬中常用的位錯工程策略來提高其塑性。尋找一種能夠在陶瓷材料中持續(xù)生成位錯的策略，可能會提高其塑性。在此，來自香港大學的黃明欣、北京科技大學的陳克新以及北京工業(yè)大學的王金淑等研究者提出了一種“借用位錯"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，在許多應用領(lǐng)域中表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，包括高硬度、高強度、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工程、能源儲存、電子和半導體等多領(lǐng)域中具有廣泛用途。然而，由于強化學鍵的存在，陶瓷在常溫下本質(zhì)上是脆性的，這導致位錯形核所需的閾值應力很高，并阻礙了位錯的起始。在條件下預先引入大量的位錯是可行的；這可以實現(xiàn)約1015 m-2的位錯密度，從而有效提高陶瓷的韌性。然而，一旦這些預先引入的位錯耗盡，要在持續(xù)變形中形核新的位錯變得困難，從而觸發(fā)化學鍵的斷裂并最終導致災難性的失效。因此，陶瓷中位錯形核的高閾值應力大大限制了通過位錯工程策略來改善塑性的潛力。因此，許多策略被用來通過替代機制實現(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，在陶瓷中實現(xiàn)拉伸延展性仍然是一項更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，主要是由于在拉伸載荷下位錯形核的難度，即使是微小的缺陷也會在位錯起始前引發(fā)過早的開裂。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)的位錯生成。為此，研究者提出了一種“借用位錯"策略。該策略通過從金屬中持續(xù)借用外部形核的位錯并將其引入陶瓷，從而繞過直接在陶瓷中形核位錯的困難。這樣，借用位錯所需的臨界應力顯著低于陶瓷中位錯形核的理論閾值，從而為陶瓷中位錯的連續(xù)傳播和增殖提供了更為便捷的途徑。為了實施借用位錯策略，需要建立一個專門的金屬-陶瓷位錯傳輸通道。一個化學上有序鍵合的金屬-陶瓷界面(研究者稱之為有序鍵合界面)是必需的，以承受借用位錯所引起的巨大應力。此外，確保金屬與陶瓷之間晶面連續(xù)性和對齊，對最小化跨界面位錯滑移的能壘至關(guān)重要。同時，這種對齊有助于減輕界面處位錯積累引起的應力集中。基于以上這兩個標準，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傳輸通道，強調(diào)不僅僅通過比較晶格對稱性和參數(shù)來建立界面。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。研究者進行了密度泛函理論(DFT)計算，以闡明該界面上的高相干性和強化學鍵。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，超過了無序鍵合界面的粘附能。這種增強的粘附能有望提高借用位錯的滑移傳遞過程，使La2O3-Mo體系成為驗證研究者借用位錯策略的有希望候選者。因此，研究者通過定制有序鍵合的La2O3-Mo異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)，制備了借用位錯的La2O3陶瓷(DB La2O3)，以展示這一策略。這種方法通過在界面處從金屬借用大量位錯并將其引入陶瓷，從而顯著提高陶瓷的拉伸延展性，克服了陶瓷內(nèi)部直接形核位錯的難題。這一策略為增強陶瓷的拉伸延展性提供了一條可行途徑。圖1 DB La2O3的微觀結(jié)構(gòu)和化學鍵合計算。圖2 透射電子顯微鏡(TEM)下的室溫原位拉伸測試。圖3 陶瓷中的位錯行為。圖4 在透射電子顯微鏡(TEM)下對DB La2O3樣品進行原位拉伸和彎曲測試。圖5 研究者提出的位錯機制。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，但借用位錯策略使La2O3陶瓷能夠通過借用大量金屬輔助位錯束來提高拉伸延展性。此外，研究者已將這一策略擴展到其他陶瓷-金屬體系，如CeO2-Mo。在具有螢石結(jié)構(gòu)的CeO2中，研究者也觀察到大量位錯，從而表現(xiàn)出良好的拉伸延展性。【參考文獻】L. R. Dong et al. ,Borrowed dislocations for ductility in ceramics. Science 385,422-427(2024). DOI:10.1126/science.adp0559
