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? 本報記者 李洋

通過采用金屬“借位錯”機制的巧妙方法，研究團隊首次讓陶瓷在室溫下實現(xiàn)了拉伸塑性變形，在業(yè)界引起廣泛關注。塑性陶瓷的出現(xiàn)，有望在工業(yè)和國民經濟建設中發(fā)揮不可替代的重要作用。

人們生活中常見的陶瓷材料因高科技的加持而具有耐高溫、耐腐蝕、硬度高、重量輕等優(yōu)異特性，成為工業(yè)和醫(yī)療等領域發(fā)展的關鍵材料。

傳統(tǒng)陶瓷有易碎的致命弱點,這種脆性短板嚴重限制其在高端技術領域的進一步應用。由此，研制室溫下具有韌性和塑性的陶瓷成為一代又一代科研人員孜孜不倦的追求。

北京時間2024年7月26日，一篇發(fā)表在《科學》（Science）上題為《Borrowed dislocations for ductility in ceramics（借位錯機制實現(xiàn)陶瓷拉伸塑性變形）》的論文顯示，中國科研團隊在世界上首次實現(xiàn)了陶瓷的室溫拉伸塑性。當即引發(fā)國內外業(yè)界廣泛關注。這項科研成果由北京科技大學、甬江實驗室陳克新研究員團隊，北京工業(yè)大學王金淑教授團隊和香港大學黃明欣教授團隊共同完成（按通訊作者排序）。

通過采用金屬“借位錯”機制的巧妙方法，研究團隊首次讓陶瓷在室溫下實現(xiàn)了拉伸塑性變形。塑性陶瓷的出現(xiàn)，有望在工業(yè)和國民經濟建設中發(fā)揮不可替代的重要作用。

氮化硅陶瓷壓縮強度

遠超超高強度鋼

過去幾十年中，為解決陶瓷脆性問題，國內外學者圍繞陶瓷增韌開展了深入研究，在相變增韌、纖維增韌、層狀結構增韌等方面都取得了顯著進展。這些增韌方法，有助于增加裂紋擴展阻力或延長裂紋擴展路徑，從而提高韌性，但并未改變陶瓷脆性本質。而如果能發(fā)現(xiàn)陶瓷變形新機制或通過結構設計新策略，使陶瓷像金屬一樣具備塑性，則有望從根本上克服陶瓷脆性，大幅度提高其可靠性及加工性能，從而極大拓展陶瓷材料的應用領域。

氮化硅，憑借其在強度、韌性、導熱性、抗熱震性和抗腐蝕性等方面卓越性能，被譽為特種陶瓷界的“全能冠軍”。然而，本征脆性是其長期難以克服的最大短板。

2022年，陳克新帶領研究團隊首先在氮化硅（Si3N4）陶瓷室溫塑性研究中取得突破，提出通過相變滑移實現(xiàn)氮化硅陶瓷塑性變形的新機制。研究團隊通過在氮化硅陶瓷中設計α/β雙相共格界面，利用應力誘導相變過程中的“共價鍵斷裂—旋轉—再鍵合”的鍵切換機制，實現(xiàn)了類似金屬中“位錯”運動產生的原子面滑移效果，使得氮化硅陶瓷表現(xiàn)出≈20%的室溫壓縮塑性形變，同時壓縮強度提高至原來的2.3倍，達到約11GPa，約為超高強度鋼的5倍。

有個形象的比喻：假設一頭成年大象的體重是5噸，11GPa的強度相當于人的指甲蓋大小的面積能抗住約22頭大象的重量。

相關研究結果，以《基于共格界面鍵切換機制實現(xiàn)氮化硅陶瓷塑性變形》為題發(fā)表于《科學》期刊，立即在國際上引起廣泛關注。

美國Phys.org網站評論指出，如果塑性陶瓷能夠獲得并實現(xiàn)量產和商業(yè)化應用，將可能迎來一個新的“石器時代”。

“草船借箭”

陶瓷實現(xiàn)室溫下可拉伸

陳克新團隊通過相變滑移機制首次實現(xiàn)了氮化硅陶瓷20%以上的壓縮塑性之后，接下來就是向難度更高的拉伸塑性發(fā)起沖擊。

然而，目標的實現(xiàn)談何容易。

這就好比拉伸一塊橘子皮——當按壓它時，可以被壓縮并稍作變形，但如果嘗試把它拉長，表面細小裂紋會迅速擴展，最終撕裂成片。陶瓷的拉伸塑性同樣受限于內部微裂紋的擴展，因此相比于壓縮塑性，拉伸塑性更難實現(xiàn)。

兩年后，陳克新團隊及其合作者在陶瓷拉伸塑性研究中取得了重要突破。

針對陶瓷中位錯形成能高、產生位錯困難的問題，研究團隊創(chuàng)新性地提出了“借位錯”策略，無需陶瓷自身發(fā)生位錯形核，而是通過在陶瓷與金屬之間構建有序結合界面，持續(xù)將金屬中的位錯“借”入到陶瓷中，利用借來的位錯在陶瓷中的連續(xù)滑移，使陶瓷像金屬一樣具備塑性。

可以用一個簡單的比喻來理解金屬和陶瓷在塑性變形上的差異：猶如在兩條河流之間修一條渠道，成功把水引到對岸。金屬的位錯運動像水流一樣，可以在內部自由運動，而陶瓷就好比是那條沒水的河，由于原子鍵合非常強，位錯難以移動。

既然金屬有位錯，而陶瓷沒有，那能不能在金屬和陶瓷之間建立一種“通道”，把金屬的位錯“借”到陶瓷中，從而讓陶瓷能夠發(fā)生塑性變形呢？

“我們通過一種類似‘草船借箭’的價鍵連接方式，成功地讓一種物質以另一種物質為基底的方式生長：在這一過程中，金屬與陶瓷通過有序的價鍵連接界面結合在一起。當金屬受力時，首先產生滑移位錯，這些位錯通過界面?zhèn)鬟f到陶瓷中，使陶瓷也產生類似的撲克牌堆疊一樣的滑移現(xiàn)象，從而賦予陶瓷一定的塑性?！标惪诵抡f。

基于這一策略，研究團隊采用通過向金屬鉬（Mo）“借位錯”的方式，讓陶瓷不再“玻璃心”。

“借”到位錯后的陶瓷，塑性變形能力幾何？測量結果顯示，氧化鑭（La2O3）陶瓷在室溫下表現(xiàn)出近40%的拉伸變形量，拉伸強度約2.3 GPa。室溫下陶瓷拉伸塑性“不可能”終于變?yōu)榱恕翱赡堋保?/p>

相關研究結果，以《借位錯機制實現(xiàn)陶瓷拉伸塑性變形》為題發(fā)表于《科學》期刊，并被選為“研究亮點”。《科學》期刊編輯評價認為“這一研究結果是陶瓷拉伸性能方面的巨大進步，指出了實現(xiàn)陶瓷塑性的新方法”。

面向未來

應用前景十分廣闊

一塊石頭扔在河里，它不算材料，但如果將它切割、打磨并用來蓋房子，它就成了建筑材料。無疑，這種技術為開發(fā)高性能的陶瓷材料提供了新的思路，陶瓷材料韌性和塑性的提升將帶來更廣闊的應用前景。

航空發(fā)動機作為飛機的心臟，直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性。如何讓發(fā)動機部件耐得了高溫，如何讓葉片變輕并耐得了離心力，如何進一步提升材料服役性能，成為研制航空發(fā)動機的世界難題。

航空發(fā)動機的渦輪葉片需要承受極高的溫度和轉速，渦輪葉片在燃燒后高溫氣流中旋轉，會產生巨大的離心載荷，這就要求材料具備極高的強度和耐熱性。

目前，全球最先進的航空發(fā)動機材料是鎳基高溫合金（包括單晶合金），其最高使用溫度約為1150°C。然而，這種材料的研究進展非常緩慢，每年僅能提升1-2°C左右。這是因為鎳基合金已經接近其熔點的90%，進一步提升使用溫度極為困難。與之相比，陶瓷材料的耐溫可達1350°C甚至更高，比鎳基合金高出200°C；而且陶瓷材料密度僅為金屬的1/3，可顯著減輕發(fā)動機自重，從而大幅度提升推重比。隨著材料科學和工程技術的進步，陶瓷航空發(fā)動機有望成為現(xiàn)實，其高推重比和輕量化特性將推動航空運輸進入新時代，使飛行速度更快、效率更高，有可能改變人類的出行方式和生活方式。

如今，這種兼具強度、韌性和塑性的氮化硅陶瓷材料也正在打開民用市場。陳克新研究團隊正在將這種陶瓷材料引入人工關節(jié)植入體及用于口腔治療的牙釘?shù)柔t(yī)療領域。

陶瓷密度更接近人體骨骼，植入后不會造成雙腿重量失衡，提升患者的舒適度。與鈦合金人工關節(jié)植入后可能導致雙腿重量不平衡，影響患者的舒適度和運動功能不同，陶瓷材料能夠減少排異反應和炎癥風險，顯著延長關節(jié)使用壽命，甚至實現(xiàn)終身免換。

“塑性陶瓷要想得到廣泛應用，除了具備塑性之外，還須具備優(yōu)良的綜合性能。這意味著，在實現(xiàn)可塑陶瓷的全部潛力之前還有很長的路要走。因此，接下來我們將面向航空發(fā)動機熱端部件等重大需求，致力于突破大尺寸塑性陶瓷塊材的關鍵制備技術，制備出具有優(yōu)良高溫性能的高強塑性陶瓷材料?！标惪诵抡f。

陳克新表示，隨著技術的快速發(fā)展和市場的迫切需求，許多原本計劃3-5年才能實現(xiàn)的應用，必須大幅縮短研發(fā)周期，盡快推向應用。

塑性陶瓷由于其重要的科學意義和巨大的應用前景，必將成為全球科技競爭的熱點?？萍既藛T要甘坐冷板凳，以“十年磨一劍”的決心，充分利用我國在該領域已形成的先發(fā)優(yōu)勢，加快推進塑性陶瓷基礎與應用研究，搶占國際領先地位和技術制高點，為滿足國家重大需求提供有力支撐。