登上《Science》！我国科学家这项研究让陶瓷不再“玻璃心”

　　陶瓷因具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、轻质等优异特性，已成为先进装备、半导体、医疗等领域发展的关键材料。然而，陶瓷材料天生脆性的短板限制了其在高端技术领域的进一步应用。如何才能让“玻璃心”的陶瓷变得更具韧性和可塑性？

　　Science官网相关论文截图。

　　前不久，《科学》（Science）刊发一篇题为“Borrowed dislocations for ductility in ceramics（借位错机制实现陶瓷拉伸塑性变形）”的论文。科研人员通过一种向金属“借”位错的新机制，在室温条件下实现了陶瓷的拉伸塑性变形。据悉，这在世界上尚属首次。

　　论文第一作者、甬江实验室研究员董丽然告诉记者，在微观世界中，位错其实是一种缺陷，它的存在看似打破了原子排列的完美和谐，但它对材料的力学性能发挥着至关重要的作用。“比如可以促进晶体的塑性变形，提高材料的可塑性。”

　　以金属为例，内部原子由较弱金属键结合在一起，受外力时可轻松产生位错，从而使金属产生变形；而陶瓷中的原子通过化学键牢固地结合在一起，因此很难发生原子移动，使得陶瓷在室温下也很难产生位错。当受外力冲击或压力时，陶瓷无法通过材料内部的位错运动以释放应力，当应力超过材料承受极限后，原子间的化学键断裂，进而产生断裂失效。这也是陶瓷“宁折不弯”的原因。

　　如果单一的陶瓷材料很难产生位错，那与金属结合下行不行？多年前，博士生在读的董丽然就曾偶然发现，包裹在金属中的陶瓷材料不太容易发生碎裂，这一现象给金属合金带来了非常多优异的特性，并实现了金属合金的机械性能和功能性的协同提升。来到甬江实验室后，在合作导师陈克新教授的引导下，董丽然重新将目光瞄准陶瓷，她希望能够揭开陶瓷塑性变形的奥秘。

　　“陶瓷内部无法持续产生位错，我们在大量的设想、论证之后，提出了一个新思路——向金属‘借’位错。”董丽然介绍。

　　La2O3/Mo界面经过精心设计和优化，以促进位错滑移。图来自Science

　　向金属“借”位错并非易事，首先要设置一个金属-陶瓷的界面。董丽然介绍，这个界面需满足两个条件：第一，化学键成键。成键是为了将金属-陶瓷界面牢牢“粘住”，从而承受住大量位错穿过时引发的应力。第二，晶面连续。连续是为了降低位错传递的势垒，减少位错的塞积以及降低应力集中。

　　厘清设计要点后，科研人员受外延生长概念启发，通过烧结工艺调制，成功制备出具有化学键结合的金属-陶瓷有序界面。通过大量的原位或离位透射实验，他们观察到了金属位错像“钉子”一样轻松穿过界面、穿入陶瓷的动态过程，以及穿过后的证据。

　　“借”到位错后的陶瓷，塑性变形能力怎么样呢？测量结果显示，纯陶瓷晶体拉伸塑性可达39.9%，强度约为2.3 GPa。室温下陶瓷拉伸塑性“不可能”终于变为了“可能”。

　　“我们提出了一种使陶瓷具有拉伸塑性的普适性策略，若想进一步解决宏观陶瓷塑性还需克服薄弱晶界的问题。”董丽然介绍，甬江实验室先进结构陶瓷中心在这方面已酝酿出很多巧妙思路，相信在不久的将来就可以实现宏观多晶陶瓷材料的韧性和可塑性，拓展高强塑性陶瓷在高端技术领域的现实应用。