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剛剛!《Science》刊發(fā)北科大重磅成果,世界上首次實(shí)現該突破!

剛剛!《Science》刊發(fā)北科大重磅成果,世界上首次實(shí)現該突破!

編輯:轉自:先進(jìn)陶瓷展 發(fā)布時(shí)間:2024-08-09

2024年7月26日

國際頂級期刊《科學(xué)》(Science)

刊發(fā)了北京科技大學(xué)

新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室

陳克新研究員團隊

聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)王金淑教授團隊

以及香港大學(xué)黃明欣教授的最新科研成果

《借位錯實(shí)現陶瓷拉伸塑性變形》

(Borrowed dislocations for ductility in ceramics)

該項研究成果在世界上

首次實(shí)現陶瓷的室溫大變形拉伸塑性

標志著(zhù)學(xué)校在結構陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

北京科技大學(xué)為該論文的第一通訊作者單位

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先進(jìn)陶瓷材料因具有耐高溫、耐腐蝕、硬度高、密度低等優(yōu)異性能已成為許多高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵材料。但是陶瓷材料本征脆性引發(fā)的可靠性差,嚴重制約了陶瓷材料的進(jìn)一步發(fā)展。因此,陶瓷材料增韌和增塑的研究一直是該領(lǐng)域的核心內容和前沿技術(shù),也是難度最大、最具挑戰性的課題之一。

陳克新研究團隊一直致力于塑性陶瓷方面的研究,曾成功實(shí)現了共價(jià)鍵氮化硅陶瓷的室溫壓縮塑性,陶瓷的形變量高達20%,同時(shí)其壓縮強度提高至原來(lái)的2.3倍(~11GPa)。該成果于2022年10月28日在世界頂級期刊Science(Science, 2022, 378, 371-376)發(fā)表后,得到材料科學(xué)領(lǐng)域的高度評價(jià)。近日,陳克新研究團隊在實(shí)現陶瓷壓縮塑性的基礎上,聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)王金淑教授和香港大學(xué)黃明欣教授團隊,首創(chuàng )性地提出了向金屬“借位錯”的策略,進(jìn)一步實(shí)現了陶瓷的大變形拉伸塑性,陶瓷的拉伸形變量可達39.9%,強度約為2.3 GPa,顛覆了人們關(guān)于“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的一貫認知。時(shí)隔1年多,該團隊的研究成果再次發(fā)表在《科學(xué)》(Science)期刊上。
眾所周知,陶瓷材料很難像金屬一樣產(chǎn)生塑性變形,這是由陶瓷材料的化學(xué)鍵屬性決定的。由于極強的離子鍵或共價(jià)鍵特性,使得陶瓷內的位錯形核能極高。因此,通常情況是在陶瓷材料內產(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。針對這一難點(diǎn),陳克新研究團隊首創(chuàng )性地提出了一種“借位錯”思想,即如果將金屬中的位錯“借”給陶瓷,那么就可以有效地克服陶瓷中位錯形核難的問(wèn)題。一旦陶瓷內存在大量的位錯滑動(dòng),那么陶瓷就有可能像金屬一樣具有塑性。但是,金屬位錯在遷移到金屬-陶瓷相界面處時(shí)通常會(huì )在界面處釘扎聚集,因此金屬位錯很難成功地被“借”到陶瓷內部。大量的金屬位錯塞積反而會(huì )導致金屬-陶瓷界面的開(kāi)裂,加速材料的失效。為此,研究團隊在金屬和陶瓷之間設計了一種有序結合的共格界面,該界面通過(guò)化學(xué)鍵結合的方式,有效地提高了界面的結合強度,從而確保界面不開(kāi)裂;與此同時(shí),該有序界面還保證了金屬-陶瓷晶面的連續性,該種連續的晶面可以有效降低位錯傳遞的勢壘,使金屬位錯可以輕松地“借”到陶瓷內部。正因為這種有序界面可以實(shí)現金屬位錯源源不斷地向陶瓷內傳遞,從而使“借位錯”的陶瓷具有了像金屬一樣的拉伸塑性。

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相關(guān)成果同期被《科學(xué)》期刊選為“研究亮點(diǎn)”(Research Highlights),編輯以“借缺陷”(Borrowing defect)為題予以重點(diǎn)介紹。

北京科技大學(xué)為該論文第一通訊作者單位,陳克新研究員為該論文的第一通訊作者,京工業(yè)大學(xué)王金淑教授和香港大學(xué)黃明欣教授為共同通訊作者。董麗然、張杰和李亦莊為共同第一作者,作者高藝璇副研究員為該工作提供了理論計算支持。

北京科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、寧波甬江實(shí)驗室和香港大學(xué)為該工作的合作完成單位。

陳克新研究員簡(jiǎn)介

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陳克新,新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員,博士生導師,國家百千萬(wàn)人才工程有突出貢獻中青年專(zhuān)家,國務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家。1997年從北京科技大學(xué)博士畢業(yè)后歷任清華大學(xué)材料系講師、副教授、教授。曾任職于國家自然科學(xué)基金委員會(huì ),現就職北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室。兼任中國硅酸鹽學(xué)會(huì )副秘書(shū)長(cháng),《材料研究學(xué)報》、《硅酸鹽學(xué)報》、《科學(xué)通報》、Journal of Materiomics 等期刊編委。主要從事高性能結構陶瓷材料研究,曾作為最年輕的項目負責人承擔“十五”首批國家 863 項目。迄今在 Science,Advanced Materials,Advanced Functional Materials,Journal of the American Ceramic Society 等期刊發(fā)表論文 200 多篇,其中受邀撰寫(xiě)綜述論文 8 篇,出版專(zhuān)著(zhù) 4 部,授權國家發(fā)明專(zhuān)利 30 余項。特別是率先研制出“室溫塑性陶瓷”,實(shí)現陶瓷材料的室溫壓縮塑型和拉伸塑型,為解決陶瓷室溫脆性這一世界性難題打下理論基礎,研究工作引起國際材料領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,被Science,Nature,Nature Materials 等期刊作為亮點(diǎn)工作進(jìn)行專(zhuān)題評述,并被美國麻省理工科技評論、英國皇家化學(xué)會(huì )、美國 Phys.org 網(wǎng)站、《科學(xué)通報》等著(zhù)名學(xué)術(shù)刊物和媒體評價(jià)為“突破性成果、在陶瓷材料發(fā)展史上具有里程碑意義”。


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