我国科研团队实现“陶瓷可拉伸”

2024-07-27 14:33:37 来源: 科技日报 作者: 操秀英

科技日报记者 操秀英

7月26日,记者从北京科技大学获悉,该校陈克新研究员团队联合北京工业大学王金淑教授团队、香港大学黄明欣教授,在全球范围内首次实现陶瓷的室温大变形拉伸塑性。这一最新研究成果发表在当天的《科学》上。

据介绍,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,使得陶瓷的形变量高达20%,将其压缩强度提高至原来的2.3倍,相关成果于2022年发表于《科学》。

近日,陈克新研究团队在实现陶瓷压缩塑性的基础上,与合作者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2.3GPa,颠覆了人们关于“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的一贯认知。

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,陶瓷材料在产生位错并发生塑性变形前,就已经早早发生了断裂失效。

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。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。

责任编辑: 李梦一