清華新聞網(wǎng)11月18日電 位錯(cuò)作為一種常見(jiàn)的一維缺陷在金屬材料中廣泛存在，并對(duì)金屬材料的力學(xué)性能以及功能特性產(chǎn)生重要影響。然而在陶瓷材料中，位錯(cuò)密度低且位錯(cuò)起動(dòng)力較大，對(duì)于陶瓷材料的性能影響尚未得到充分認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，清華大學(xué)材料學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于陶瓷材料中的位錯(cuò)理論以及對(duì)力學(xué)性能的影響開(kāi)展了深入研究，并取得了多項(xiàng)進(jìn)展。
首先，陶瓷材料化學(xué)鍵復(fù)雜，其位錯(cuò)精細(xì)結(jié)構(gòu)以及位錯(cuò)起動(dòng)力的準(zhǔn)確解析還沒(méi)有深入研究，傳統(tǒng)的堆垛層錯(cuò)（GSF）模型雖然廣泛應(yīng)用于金屬材料的位錯(cuò)研究，但在陶瓷材料中往往無(wú)法得到合理的結(jié)果。為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于局域失配能（LME）求解位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，計(jì)算位錯(cuò)形成能以及臨界滑移驅(qū)動(dòng)力（PN力）的新方法，在鈦酸鍶中得到的PN力相較GSF模型的結(jié)果提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，與實(shí)驗(yàn)值符合。LME模型引入了原子沿滑移面方向的自由度，模擬了化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)突變與極化反轉(zhuǎn)等陶瓷材料中的特有現(xiàn)象，從而優(yōu)化了位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，得到了合理的PN力。此外，LME模型模擬了含有氧空位的缺陷結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)氧空位可以降低鈦酸鍶的位錯(cuò)形成能與PN力。通過(guò)簡(jiǎn)單的氧還原過(guò)程即可令鈦酸鍶的斷裂韌性提高30%。該項(xiàng)工作為非金屬材料的位錯(cuò)研究提供了理論方法，有助于深入理解位錯(cuò)的成核及動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為優(yōu)化陶瓷材料的機(jī)械性能，探索陶瓷的超塑性提供理論支持。
圖1.探索陶瓷材料的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性的新方法：局域失配能模型設(shè)計(jì)與鈦酸鍶陶瓷的位錯(cuò)特性
上述成果以“基于位錯(cuò)再構(gòu)型的鈦酸鍶陶瓷派爾斯塑性的理論研究”（Theoretical insights into the Peierlsplasticity in SrTiO3 ceramics via dislocation remodelling）為題，近期發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)材料學(xué)院博士后李宜（現(xiàn)工作于北京化工大學(xué)）與博士后劉向陽(yáng)為文章的共同第一作者。材料學(xué)院萬(wàn)春磊副教授為文章的通訊作者。
另一方面，面向氧化物陶瓷中因?yàn)閯傂噪x子/共價(jià)鍵引起的高應(yīng)變能而導(dǎo)致的位錯(cuò)密度低、熱力學(xué)不穩(wěn)定問(wèn)題，清華材料學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，高熵氧化物陶瓷中存在均勻分布且密度超高(~109/mm2)的刃位錯(cuò)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬證明熵增能有效的補(bǔ)償因位錯(cuò)而產(chǎn)生的應(yīng)變能，氧化物陶瓷中位錯(cuò)熱穩(wěn)定性隨成分復(fù)雜性的增加而增強(qiáng)。與傳統(tǒng)陶瓷脆性斷裂模式不同，裂紋與高熵氧化物陶瓷內(nèi)部位錯(cuò)所產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生相互作用，致使裂紋發(fā)生了顯著的偏轉(zhuǎn)和橋接，相比混合法則，斷裂韌性提高了70%左右。本研究為制備超高位錯(cuò)密度氧化物陶瓷提供了可控的、有效的途徑，為優(yōu)化陶瓷的力學(xué)性能開(kāi)辟了新的途徑。
圖2.（a-f）高熵陶瓷中位錯(cuò)密度隨熵的變化趨勢(shì)；(g-h)裂紋與位錯(cuò)的相互作用
上述成果以“高熵氧化物陶瓷中穩(wěn)定存在的超密位錯(cuò)”（Ultra-dense dislocations stabilized in high entropy oxide ceramics）為題，發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)材料學(xué)院2017級(jí)博士生韓毅（已于2022年6月獲得博士學(xué)位）和博士后劉向陽(yáng)為文章共同第一作者，材料學(xué)院萬(wàn)春磊副教授、潘偉教授、博士后張鵬（現(xiàn)工作于北京工業(yè)大學(xué)）為文章的共同通訊作者。
以上兩項(xiàng)工作得到了國(guó)家兩機(jī)專(zhuān)項(xiàng)、基金委優(yōu)秀青年基金、青年基金項(xiàng)目以及科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34741-4
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30260-4
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
