我國(guó)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(shì)，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(wàn)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(wèn)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(kāi)始，就在兩位老師的指導(dǎo)下開(kāi)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(cuò)”策略：通過(guò)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(cuò)傳遞到陶瓷內(nèi)部所需越過(guò)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(cuò)（圖3），因此可以實(shí)現(xiàn)在室溫下陶瓷內(nèi)位錯(cuò)的大量增殖和滑移，在相同變形量后陶瓷內(nèi)位錯(cuò)密度與金屬內(nèi)位錯(cuò)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(cuò)在界面處劃過(guò)后形成了滑移臺(tái)階，并通過(guò)第一性原理計(jì)算證明有序界面可降低位錯(cuò)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(cuò)集群通過(guò)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(cuò)后的氧化鑭陶瓷內(nèi)的位錯(cuò)以及不同形變量變形后陶瓷內(nèi)位錯(cuò)密度測(cè)試結(jié)果

圖5 氧化鑭陶瓷的室溫拉伸曲線(xiàn)

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(guó)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