近日，中國散裂中子源（CSNS）通用粉末衍射儀（GPPD）用戶實驗成果在Science雜志發(fā)表（Science 385, 422–427 (2024)）。這項工作由北京科技大學陳克新研究員團隊聯(lián)合北京工業(yè)大學王金淑教授團隊、香港大學黃明欣教授團隊完成，首次實現(xiàn)了陶瓷的室溫大變形拉伸塑性。研究團隊利用中子衍射數(shù)據(jù)定量獲得了陶瓷的位錯密度，首創(chuàng)性地提出了向金屬“借位錯”的策略，使陶瓷像金屬一樣具有拉伸塑性。
陶瓷材料因具有耐高溫、耐腐蝕、硬度高、密度低等優(yōu)異性能，成為許多高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵材料。然而，陶瓷很難像金屬一樣產(chǎn)生塑性變形，嚴重制約了材料的進一步發(fā)展應用。由于極強的離子鍵或共價鍵特性，使得陶瓷內(nèi)的位錯形核能極高，通常在陶瓷材料內(nèi)產(chǎn)生位錯并發(fā)生塑性變形之前，就已經(jīng)早早地發(fā)生了斷裂失效。
研究團隊首創(chuàng)性地提出了一種“借位錯”策略：如果將金屬中的位錯“借”給陶瓷，陶瓷就有可能像金屬一樣具有塑性。研究團隊在金屬和陶瓷之間設計了一種有序結(jié)合的界面，通過化學鍵結(jié)合的方式，有效地提高了界面的結(jié)合強度，從而確保界面不開裂。該有序界面還保證了金屬和陶瓷晶面的連續(xù)性，使金屬位錯可以輕松地“借”到陶瓷內(nèi)部。正因為這種有序界面，讓金屬位錯源源不斷地向陶瓷內(nèi)傳遞，使陶瓷具有了像金屬一樣的拉伸塑性。反復測試顯示，通過該策略，陶瓷的拉伸形變量可達39.9%，強度約為2300Mpa（兆帕斯卡），打破了“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的傳統(tǒng)認知。
中子衍射具有高穿透能力、高分辨率、無損等優(yōu)勢，可用于分析具有織構(gòu)等復雜材料的組織結(jié)構(gòu)特征。得益于CSNS通用粉末衍射儀高的分辨率、優(yōu)異的峰型以及良好的信噪比，研究者通過對GPPD中子衍射數(shù)據(jù)的精確解析，成功定量獲取了位錯密度信息，為“借用錯位”策略研究提供了重要的微觀參數(shù)信息。該成果為陶瓷材料的未來應用帶來了更多可能性。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0559
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