▶  本报记者  李洋

　　通过采用金属“借位错”机制的巧妙方法，研究团队首次让陶瓷在室温下实现了拉伸塑性变形，在业界引起广泛关注。塑性陶瓷的出现，有望在工业和国民经济建设中发挥不可替代的重要作用。

　　人们生活中常见的陶瓷材料因高科技的加持而具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、重量轻等优异特性，成为工业和医疗等领域发展的关键材料。

　　传统陶瓷有易碎的致命弱点,这种脆性短板严重限制其在高端技术领域的进一步应用。由此，研制室温下具有韧性和塑性的陶瓷成为一代又一代科研人员孜孜不倦的追求。

　　北京时间2024年7月26日，一篇发表在《科学》（Science）上题为《Borrowed dislocations for ductility in ceramics（借位错机制实现陶瓷拉伸塑性变形）》的论文显示，中国科研团队在世界上首次实现了陶瓷的室温拉伸塑性。当即引发国内外业界广泛关注。这项科研成果由北京科技大学、甬江实验室陈克新研究员团队，北京工业大学王金淑教授团队和香港大学黄明欣教授团队共同完成（按通讯作者排序）。

　　通过采用金属“借位错”机制的巧妙方法，研究团队首次让陶瓷在室温下实现了拉伸塑性变形。塑性陶瓷的出现，有望在工业和国民经济建设中发挥不可替代的重要作用。

　　氮化硅陶瓷压缩强度

　　远超超高强度钢

　　过去几十年中，为解决陶瓷脆性问题，国内外学者围绕陶瓷增韧开展了深入研究，在相变增韧、纤维增韧、层状结构增韧等方面都取得了显著进展。这些增韧方法，有助于增加裂纹扩展阻力或延长裂纹扩展路径，从而提高韧性，但并未改变陶瓷脆性本质。而如果能发现陶瓷变形新机制或通过结构设计新策略，使陶瓷像金属一样具备塑性，则有望从根本上克服陶瓷脆性，大幅度提高其可靠性及加工性能，从而极大拓展陶瓷材料的应用领域。

　　氮化硅，凭借其在强度、韧性、导热性、抗热震性和抗腐蚀性等方面卓越性能，被誉为特种陶瓷界的“全能冠军”。然而，本征脆性是其长期难以克服的最大短板。

　　2022年，陈克新带领研究团队首先在氮化硅（Si3N4）陶瓷室温塑性研究中取得突破，提出通过相变滑移实现氮化硅陶瓷塑性变形的新机制。研究团队通过在氮化硅陶瓷中设计α/β双相共格界面，利用应力诱导相变过程中的“共价键断裂—旋转—再键合”的键切换机制，实现了类似金属中“位错”运动产生的原子面滑移效果，使得氮化硅陶瓷表现出≈20%的室温压缩塑性形变，同时压缩强度提高至原来的2.3倍，达到约11GPa，约为超高强度钢的5倍。

　　有个形象的比喻：假设一头成年大象的体重是5吨，11GPa的强度相当于人的指甲盖大小的面积能抗住约22头大象的重量。

　　相关研究结果，以《基于共格界面键切换机制实现氮化硅陶瓷塑性变形》为题发表于《科学》期刊，立即在国际上引起广泛关注。

　　美国Phys.org网站评论指出，如果塑性陶瓷能够获得并实现量产和商业化应用，将可能迎来一个新的“石器时代”。

　　“草船借箭”

　　陶瓷实现室温下可拉伸

　　陈克新团队通过相变滑移机制首次实现了氮化硅陶瓷20%以上的压缩塑性之后，接下来就是向难度更高的拉伸塑性发起冲击。

　　然而，目标的实现谈何容易。

　　这就好比拉伸一块橘子皮——当按压它时，可以被压缩并稍作变形，但如果尝试把它拉长，表面细小裂纹会迅速扩展，最终撕裂成片。陶瓷的拉伸塑性同样受限于内部微裂纹的扩展，因此相比于压缩塑性，拉伸塑性更难实现。

　　两年后，陈克新团队及其合作者在陶瓷拉伸塑性研究中取得了重要突破。

　　针对陶瓷中位错形成能高、产生位错困难的问题，研究团队创新性地提出了“借位错”策略，无需陶瓷自身发生位错形核，而是通过在陶瓷与金属之间构建有序结合界面，持续将金属中的位错“借”入到陶瓷中，利用借来的位错在陶瓷中的连续滑移，使陶瓷像金属一样具备塑性。

　　可以用一个简单的比喻来理解金属和陶瓷在塑性变形上的差异：犹如在两条河流之间修一条渠道，成功把水引到对岸。金属的位错运动像水流一样，可以在内部自由运动，而陶瓷就好比是那条没水的河，由于原子键合非常强，位错难以移动。

　　既然金属有位错，而陶瓷没有，那能不能在金属和陶瓷之间建立一种“通道”，把金属的位错“借”到陶瓷中，从而让陶瓷能够发生塑性变形呢？

　　“我们通过一种类似‘草船借箭’的价键连接方式，成功地让一种物质以另一种物质为基底的方式生长：在这一过程中，金属与陶瓷通过有序的价键连接界面结合在一起。当金属受力时，首先产生滑移位错，这些位错通过界面传递到陶瓷中，使陶瓷也产生类似的扑克牌堆叠一样的滑移现象，从而赋予陶瓷一定的塑性。”陈克新说。

　　基于这一策略，研究团队采用通过向金属钼（Mo）“借位错”的方式，让陶瓷不再“玻璃心”。

　　“借”到位错后的陶瓷，塑性变形能力几何？测量结果显示，氧化镧（La2O3）陶瓷在室温下表现出近40%的拉伸变形量，拉伸强度约2.3 GPa。室温下陶瓷拉伸塑性“不可能”终于变为了“可能”！

　　相关研究结果，以《借位错机制实现陶瓷拉伸塑性变形》为题发表于《科学》期刊，并被选为“研究亮点”。《科学》期刊编辑评价认为“这一研究结果是陶瓷拉伸性能方面的巨大进步，指出了实现陶瓷塑性的新方法”。

　　面向未来

　　应用前景十分广阔

　　一块石头扔在河里，它不算材料，但如果将它切割、打磨并用来盖房子，它就成了建筑材料。无疑，这种技术为开发高性能的陶瓷材料提供了新的思路，陶瓷材料韧性和塑性的提升将带来更广阔的应用前景。

　　航空发动机作为飞机的心脏，直接影响飞机的性能、可靠性及经济性。如何让发动机部件耐得了高温，如何让叶片变轻并耐得了离心力，如何进一步提升材料服役性能，成为研制航空发动机的世界难题。

　　航空发动机的涡轮叶片需要承受极高的温度和转速，涡轮叶片在燃烧后高温气流中旋转，会产生巨大的离心载荷，这就要求材料具备极高的强度和耐热性。

　　目前，全球最先进的航空发动机材料是镍基高温合金（包括单晶合金），其最高使用温度约为1150°C。然而，这种材料的研究进展非常缓慢，每年仅能提升1-2°C左右。这是因为镍基合金已经接近其熔点的90%，进一步提升使用温度极为困难。与之相比，陶瓷材料的耐温可达1350°C甚至更高，比镍基合金高出200°C；而且陶瓷材料密度仅为金属的1/3，可显著减轻发动机自重，从而大幅度提升推重比。随着材料科学和工程技术的进步，陶瓷航空发动机有望成为现实，其高推重比和轻量化特性将推动航空运输进入新时代，使飞行速度更快、效率更高，有可能改变人类的出行方式和生活方式‌。

　　如今，这种兼具强度、韧性和塑性的氮化硅陶瓷材料也正在打开民用市场。陈克新研究团队正在将这种陶瓷材料引入人工关节植入体及用于口腔治疗的牙钉等医疗领域。

　　陶瓷密度更接近人体骨骼，植入后不会造成双腿重量失衡，提升患者的舒适度。与钛合金人工关节植入后可能导致双腿重量不平衡，影响患者的舒适度和运动功能不同‌，陶瓷材料能够减少排异反应和炎症风险‌，显著延长关节使用寿命，甚至实现终身免换。

　　“塑性陶瓷要想得到广泛应用，除了具备塑性之外，还须具备优良的综合性能。这意味着，在实现可塑陶瓷的全部潜力之前还有很长的路要走。因此，接下来我们将面向航空发动机热端部件等重大需求，致力于突破大尺寸塑性陶瓷块材的关键制备技术，制备出具有优良高温性能的高强塑性陶瓷材料。”陈克新说。

　　陈克新表示，随着技术的快速发展和市场的迫切需求，许多原本计划3-5年才能实现的应用，必须大幅缩短研发周期，尽快推向应用。

　　塑性陶瓷由于其重要的科学意义和巨大的应用前景，必将成为全球科技竞争的热点。科技人员要甘坐冷板凳，以“十年磨一剑”的决心，充分利用我国在该领域已形成的先发优势，加快推进塑性陶瓷基础与应用研究，抢占国际领先地位和技术制高点，为满足国家重大需求提供有力支撑。