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一、【科學背景】

陶瓷在一系列應用中表現出極具吸引力的特性，包括高硬度、高強度、優異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、電子和半導體等多個領域都有用武之地。然而，由于化學鍵較強，陶瓷在常溫下本質上是脆性的，這導致了位錯成核所需的高閾值應力，并阻礙了位錯的產生。在極端條件下，預誘導大量的位錯密度是可行的，這可使位錯密度達到 10¹⁵ m^-2 的數量級，并有效增強陶瓷的韌性。然而，一旦這些預先誘導的位錯耗盡，就很難再成核產生新的位錯以實現持續變形，從而引發化學鍵斷裂，最終導致災難性失效。因此，陶瓷中位錯成核的高閾值應力大大限制了通過位錯工程策略改善塑性的潛力。因此，有幾種策略旨在通過替代機制來提高陶瓷的塑性。例如通過在相干界面上進行鍵合轉換來改善氮化硅陶瓷的壓縮塑性。然而，在陶瓷中實現拉伸延展性是一項更為艱巨的挑戰，這主要是因為在拉伸載荷作用下很難發生位錯成核現象，即使是微小的缺陷也可能在位錯發生之前引發過早開裂。

二、【創新成果】

基于以上難題，北京科技大學陳克新研究員、北京工業大學王金淑教授、香港大學黃明欣教授等人合作，在Science發表了題為“Borrowed dislocations for ductility in ceramics”的論文，提出了一種“借用錯位”策略，即使用具有有序鍵的定制界面結構。這種方法通過界面調動陶瓷中從金屬中借用的大量位錯，從而克服了陶瓷內部直接位錯成核所帶來的挑戰，大大提高了陶瓷的抗拉延展性。這種策略為提高陶瓷的拉伸延展性提供了一種方法。

研究人員利用氧化鑭（La₂O₃）陶瓷與鉬（Mo）金屬形成有序結合界面的材料，制備了“借用位錯”La₂O₃ 陶瓷（DB La₂O₃），通過定制有序鍵合的 La₂O₃-Mo 異面結構來驗證這一策略。

圖1 ?DB La₂O₃的微觀結構和化學鍵計算 ? 2024 AAAS

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圖2 ?TEM觀測下的室溫原位拉伸試驗 ? 2024 AAAS

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圖3 ?陶瓷中的位錯行為 ? 2024 AAAS

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圖4 ?TEM觀測下DB La₂O₃試樣的原位拉伸和彎曲試驗 ? 2024 AAAS

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圖5 ?位錯機制的提出 ? 2024 AAAS

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三、【科學啟迪】

本研究表明，雖然 La₂O₃ 是一種具有六方晶體結構的陶瓷材料，傳統上在室溫下缺乏延展性，但是通過精心選擇陶瓷-金屬界面，金屬在拉伸過程中產生的位錯缺陷可以遷移到陶瓷中，使得 La₂O₃陶瓷具有更好的拉伸延展性，本研究為改善脆性陶瓷的性能提供了一種不同的方法。此外，研究人員還將這一策略擴展到其他陶瓷-金屬體系，如 CeO₂-Mo。在具有螢石結構的 CeO₂ 中也觀察到了廣泛的位錯，并因此獲得了良好的拉伸延展性。

原文詳情：Borrowed dislocations for ductility in ceramics (Science 2024, 385, 422-427)

本文由賽恩斯供稿。