向金属“借位错”，陶瓷变得可拉伸

北京科技大学新金属材料国家重点实验室研究团队联合北京工业大学教授王金淑团队、香港大学教授黄明欣，首次提出向金属“借位错”的策略，实现了陶瓷的大变形拉伸塑性，陶瓷的拉伸形变量可达39.9%，强度约为2.3 GPa，颠覆了人们关于“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的一贯认知。7月26日，相关研究成果以《借位错实现陶瓷拉伸塑性变形》为题，发表在《科学》上。

 具有有序界面结构的La2O3陶瓷可成功从金属中“借”位错，并成功实现陶瓷的拉伸和弯曲变形。课题组供图

先进陶瓷材料因具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、密度低等优异性能，已成为许多高新技术领域发展的关键材料。但是陶瓷材料本征脆性引发的可靠性差，严重制约了陶瓷材料的进一步发展。陶瓷材料增韧和增塑的研究一直是该领域的核心内容和前沿技术，也是难度最大、最具挑战性的课题之一。

众所周知，陶瓷材料很难像金属一样产生塑性变形，这是由陶瓷材料的化学键属性决定的。由于极强的离子键或共价键特性，使得陶瓷内的位错形核能极高。因此，通常情况是在陶瓷材料内产生位错并发生塑性变形之前，就已经早早地发生了断裂失效。

针对这一难点，研究团队首创性地提出了一种“借位错”思想，即如果将金属中的位错“借”给陶瓷，那么就可以有效地克服陶瓷中位错形核难的问题。一旦陶瓷内存在大量的位错滑动，那么陶瓷就有可能像金属一样具有塑性。但是，金属位错在迁移到金属-陶瓷相界面处时通常会在界面处钉扎聚集，因此金属位错很难成功地被“借”到陶瓷内部。大量的金属位错塞积反而会导致金属-陶瓷界面的开裂，加速材料的失效。为此，研究团队在金属和陶瓷之间设计了一种有序结合的共格界面，该界面通过化学键结合的方式，有效地提高了界面的结合强度，从而确保界面不开裂。

与此同时，该有序界面还保证了金属-陶瓷晶面的连续性，该种连续的晶面可以有效降低位错传递的势垒，使金属位错可以轻松地“借”到陶瓷内部。正因为这种有序界面可以实现金属位错源源不断地向陶瓷内传递，从而使“借位错”的陶瓷具有了像金属一样的拉伸塑性。

相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0559