近日，中国散裂中子源（CSNS）通用粉末衍射仪（GPPD）用户实验成果在Science杂志发表（Science 385, 422–427 (2024)）。这项工作由北京科技大学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团队完成，首次实现了陶瓷的室温大变形拉伸塑性。研究团队利用中子衍射数据定量获得了陶瓷的位错密度，首创性地提出了向金属“借位错”的策略，使陶瓷像金属一样具有拉伸塑性。
陶瓷材料因具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、密度低等优异性能，成为许多高新技术领域发展的关键材料。然而，陶瓷很难像金属一样产生塑性变形，严重制约了材料的进一步发展应用。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，通常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。
研究团队首创性地提出了一种“借位错”策略：如果将金属中的位错“借”给陶瓷，陶瓷就有可能像金属一样具有塑性。研究团队在金属和陶瓷之间设计了一种有序结合的界面，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。该有序界面还保证了金属和陶瓷晶面的连续性，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，让金属位错源源不断地向陶瓷内传递，使陶瓷具有了像金属一样的拉伸塑性。反复测试显示，通过该策略，陶瓷的拉伸形变量可达39.9%，强度约为2300Mpa（兆帕斯卡），打破了“陶瓷不可能具有拉伸塑性”的传统认知。
中子衍射具有高穿透能力、高分辨率、无损等优势，可用于分析具有织构等复杂材料的组织结构特征。得益于CSNS通用粉末衍射仪高的分辨率、优异的峰型以及良好的信噪比，研究者通过对GPPD中子衍射数据的精确解析，成功定量获取了位错密度信息，为“借用错位”策略研究提供了重要的微观参数信息。该成果为陶瓷材料的未来应用带来了更多可能性。
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp0559
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