2024年7月26日

国际顶级期刊《科学》（Science）

刊发了北京科技大学

新金属材料国家重点实验室

陈克新研究员团队

联合北京工业大学王金淑教授团队

以及香港大学黄明欣教授的最新科研成果

《借位错实现陶瓷拉伸塑性变形》

（Borrowed dislocations for ductility in ceramics）

该项研究成果在世界上

首次实现陶瓷的室温大变形拉伸塑性

标志着学校在结构陶瓷领域取得重要进展

北京科技大学为该论文的第一通讯作者单位

　　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。因此，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。

　　陈克新研究团队一直致力于塑性陶瓷方面的研究，曾成功实现了共价键氮化硅陶瓷的室温压缩塑性，陶瓷的形变量高达20%，同时其压缩强度提高至原来的2.3倍（～11GPa）。该成果于2022年10月28日在世界顶级期刊Science（Science， 2022， 378， 371-376）发表后，得到材料科学领域的高度评价。近日，陈克新研究团队在实现陶瓷压缩塑性的基础上，联合北京工业大学王金淑教授和香港大学黄明欣教授团队，首创性地提出了向金属“借位错”的策略，进一步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。时隔1年多，该团队的研究成果再次发表在《科学》（Science）期刊上。

　　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，陈克新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。

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

　　相关成果同期被《科学》期刊选为“研究亮点”（Research Highlights），编辑以“借缺陷”（Borrowing defect）为题予以重点介绍。

　　北京科技大学为该论文第一通讯作者单位，陈克新研究员为该论文的第一通讯作者，北京工业大学王金淑教授和香港大学黄明欣教授为共同通讯作者。董丽然、张杰和李亦庄为共同第一作者，作者高艺璇副研究员为该工作提供了理论计算支持。

　　北京科技大学、北京工业大学、宁波甬江实验室和香港大学为该工作的合作完成单位。

　　陈克新

　　陈克新，新金属材料国家重点实验室研究员，博士生导师，国家百千万人才工程有突出贡献中青年专家，国务院政府特殊津贴专家。1997年从北京科技大学博士毕业后历任清华大学材料系讲师、副教授、教授。曾任职于国家自然科学基金委员会，现就职北京科技大学新金属材料国家重点实验室。兼任中国硅酸盐学会副秘书长，《材料研究学报》、《硅酸盐学报》、《科学通报》、Journal of Materiomics 等期刊编委。主要从事高性能结构陶瓷材料研究，曾作为最年轻的项目负责人承担“十五”首批国家 863 项目。迄今在 Science，Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Journal of the American Ceramic Society 等期刊发表论文 200 多篇，其中受邀撰写综述论文 8 篇，出版专著 4 部，授权国家发明专利 30 余项。特别是率先研制出“室温塑性陶瓷”，实现陶瓷材料的室温压缩塑型和拉伸塑型，为解决陶瓷室温脆性这一世界性难题打下理论基础，研究工作引起国际材料领域的广泛关注，被 Science，Nature，Nature Materials 等期刊作为亮点工作进行专题评述，并被美国麻省理工科技评论、英国皇家化学会、美国 Phys.org 网站、《科学通报》等著名学术刊物和媒体评价为“突破性成果、在陶瓷材料发展史上具有里程碑意义”。