我國科學(xué)家世界上首次實(shí)現(xiàn)陶瓷的室溫拉伸塑性

稀土材料由于具有特殊的磁、光、電、催化和強(qiáng)硬度性能及耐腐蝕優(yōu)勢，所以可將其摻入金屬中，從而賦予金屬優(yōu)異的力學(xué)性能和功能性。因此稀土材料廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料、熱電子發(fā)射材料、半導(dǎo)體材料以及磁性等材料中，是材料中的“萬金油”。然而，稀土氧化物作為陶瓷材料，致使高稀土氧化物含量的復(fù)合材料因其脆性問題降低了使用可靠性，限制了其更廣泛的應(yīng)用。因此，如何改善陶瓷材料的塑性，是結(jié)構(gòu)材料和功能材料領(lǐng)域最核心且最具挑戰(zhàn)性的課題之一。

稀土與難熔金屬是北京工業(yè)大學(xué)周美玲教授和左鐵鏞院士建立的材料學(xué)科研究方向，王金淑教授從攻讀博士開始，就在兩位老師的指導(dǎo)下開始從事稀土-難熔金屬材料的研究，并一直持續(xù)至今。近日，王金淑教授團(tuán)隊(duì)基于氧化鑭-鉬材料的研究，發(fā)現(xiàn)高添加量氧化鑭-鉬復(fù)合材料仍然具有好的拉伸塑性。王金淑教授聯(lián)合北京科技大學(xué)陳克新教授以及香港大學(xué)黃明欣教授，首創(chuàng)性地提出了一種“借位錯”策略：通過在鉬金屬與氧化鑭陶瓷相之間構(gòu)建一種有序結(jié)合界面（圖1），該界面可以顯著降低金屬位錯傳遞到陶瓷內(nèi)部所需越過的能量壁壘（圖2），從而使陶瓷可以源源不斷地向金屬“借”位錯（圖3），因此可以實(shí)現(xiàn)在室溫下陶瓷內(nèi)位錯的大量增殖和滑移，在相同變形量后陶瓷內(nèi)位錯密度與金屬內(nèi)位錯密度值相當(dāng)（圖4），從而實(shí)現(xiàn)了陶瓷像金屬一樣的拉伸塑性。陶瓷的拉伸形變量高達(dá)39.9%（圖5），打破了陶瓷不可能具有拉伸塑性的傳統(tǒng)認(rèn)知。

圖1?Mo-La₂O₃有序結(jié)合界面結(jié)構(gòu)以及第一性原理計(jì)算結(jié)果，

證明有序界面是化學(xué)鍵結(jié)合且晶面連續(xù)

圖2?位錯在界面處劃過后形成了滑移臺階，并通過第一性原理計(jì)算證明有序界面可降低位錯傳遞的能量壁壘

圖3?在原位拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)中，可以直觀地觀察到金屬鉬位錯集群通過有序界面源源不斷地傳入氧化鑭陶瓷內(nèi)部，

實(shí)現(xiàn)陶瓷的拉伸和彎曲

圖4?“借”位錯后的氧化鑭陶瓷內(nèi)的位錯以及不同形變量變形后陶瓷內(nèi)位錯密度測試結(jié)果

圖5 氧化鑭陶瓷的室溫拉伸曲線

該研究的第一作者單位為北京工業(yè)大學(xué)，寧波甬江實(shí)驗(yàn)室、香港大學(xué)和北京科技大學(xué)為合作單位。北京工業(yè)大學(xué)王金淑教授、北京科技大學(xué)陳克新教授以及香港大學(xué)黃明欣教授為該論文的共同通訊作者。董麗然、張杰和李亦莊為共同第一作者，高藝璇和王銘為合作作者。上述成果獲得國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

論文原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0559