塑性力學(xué)頂刊《IJP》：MgO陶瓷中位錯(cuò)主導(dǎo)的室溫多尺度塑性變形

近日，南方科技大學(xué)逯文君研究員及其博士生張家雯，聯(lián)合清華大學(xué)崔一南研究員團(tuán)隊(duì)，德國馬克斯-普朗克研究所，以及卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)方旭飛研究員團(tuán)隊(duì)，在International Journal of Plasticity上發(fā)表論文，以MgO單晶陶瓷為研究目標(biāo)，通過在其內(nèi)部“種植”不同密度位錯(cuò)（~1012m-2至~1015m-2），研究其在室溫下位錯(cuò)主導(dǎo)的不同尺度下（納米-微米-宏觀）的塑性變形及斷裂行為。

研究發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)密度的調(diào)控能有效提升MgO的壓縮塑性。位錯(cuò)密度為~1015m-2的直徑約為~400nm的MgO納米柱塑性最高達(dá)到~70%，屈服強(qiáng)度為~2.35 GPa；而宏觀尺度下MgO單晶的屈服強(qiáng)度下降為~120 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)閪6%。3D-DDD模擬進(jìn)一步解釋了低位錯(cuò)密度及高位錯(cuò)密度下主導(dǎo)的位錯(cuò)雪崩及位錯(cuò)加工硬化行為。相關(guān)論文以題為“Scale-bridging dislocation plasticity in MgO at room temperature”刊登在塑性力學(xué)頂級(jí)期刊International Journal of Plasticity上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104533

氧化物陶瓷因具有高的硬度及等優(yōu)點(diǎn)良好的熱穩(wěn)定性，在能源、催化和高溫防護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其室溫本征脆性嚴(yán)重制約了實(shí)際應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)在功能氧化物陶瓷中的引入可以有效提升其力學(xué)性能，使其在室溫下也能發(fā)生一定的塑性變形 [1–3] 。在金屬中，位錯(cuò)的增殖及運(yùn)動(dòng)能有效促進(jìn)其在室溫下的塑性變形；而陶瓷材料中較強(qiáng)的離子鍵/共價(jià)鍵導(dǎo)致位錯(cuò)在其內(nèi)部難以形核、增殖以及運(yùn)動(dòng)。最新研究表明，通過表面研磨及表面刻劃處理可在SrTiO3單晶表面種植高密度位錯(cuò)（~1014 m-2），并能使其在室溫下發(fā)生超過~20%的塑性變形 [1,3] 。但是，種位錯(cuò)以提高氧化物陶瓷的室溫塑性，以及位錯(cuò)在不同尺度下對(duì)氧化物陶瓷的變形行為的影響將如何？

為了解決以上問題，南方科技大學(xué)逯文君研究員及其博士生張家雯，聯(lián)合清華大學(xué)崔一南研究員團(tuán)隊(duì)，德國馬克斯-普朗克研究所，以及卡爾斯魯厄理工學(xué)院方旭飛研究員團(tuán)隊(duì)，以巖鹽結(jié)構(gòu)的(001)面的MgO單晶為研究目標(biāo)，使用毫米級(jí)的布氏球頭循環(huán)刻劃實(shí)現(xiàn)MgO陶瓷表面位錯(cuò)的調(diào)控，位錯(cuò)密度從~1012m-2分別提高至~1014m-2至~1015m-2，如圖1所示。隨著位錯(cuò)密度的提高，MgO單晶內(nèi)部的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)由45°位錯(cuò)線（螺位錯(cuò)）發(fā)展為高度纏結(jié)的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)（圖1e）。

室溫微柱壓縮研究了位錯(cuò)對(duì)不同尺度的MgO單晶的室溫壓縮力學(xué)行為的影響，結(jié)果如圖2、圖4和圖5所示。結(jié)果表明，未經(jīng)刻劃處理的直徑為~1 μm的參考樣品（~1012 m-2）變形~10%后發(fā)生斷裂；隨著位錯(cuò)密度達(dá)到~1014 m-2及~1015 m-2時(shí)其最高的壓縮斷裂塑性為~40%（圖1），斷后的TEM分析表面位錯(cuò)的塞積是導(dǎo)致其裂紋產(chǎn)生的主要原因（圖3）。SEM下的原位壓塑說明，直徑為~5 μm的位錯(cuò)密度為~1012 m-2的試樣變形~10%后同樣產(chǎn)生大量裂紋，而位錯(cuò)密度提高到~1015m-2的試樣變形~20%才產(chǎn)生裂紋（圖3）。TEM原位壓縮實(shí)驗(yàn)更為直觀地說明室溫種植的位錯(cuò)在變形過程中的運(yùn)動(dòng)有效促進(jìn)MgO單晶的塑性變形（圖5）。

進(jìn)一步的3D-DDD模擬所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖6（a、e））與本文實(shí)驗(yàn)所觀察到的結(jié)果一致，低位錯(cuò)密度（ρ0 = 5 × 1012 m-2）時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力下降的行為，這與本文實(shí)驗(yàn)中未經(jīng)刻劃處理的MgO單晶的變形行為相符（圖2（a-d））。對(duì)于低位錯(cuò)密度的微柱樣品，塑性變形主要由有限的位錯(cuò)源主導(dǎo)；隨著應(yīng)力的增加，通常只有一個(gè)位錯(cuò)源被激活，被激活的位錯(cuò)源迅速滑過整個(gè)滑移面，導(dǎo)致顯著的應(yīng)力下降。對(duì)于高初始位錯(cuò)密度的樣品，一旦位錯(cuò)源被激活，被激活的位錯(cuò)源很快就會(huì)受到其他位錯(cuò)的阻礙，難以迅速地滑過整個(gè)滑移面，這導(dǎo)致了較小的應(yīng)力下降幅度（圖6（e））。此外，初始位錯(cuò)密度為~1012 m-2的宏觀試樣在變形~4%后開始產(chǎn)生裂紋，同時(shí)屈服強(qiáng)度下降為~120 MPa。該研究為了解位錯(cuò)介導(dǎo)的功能陶瓷多尺度力學(xué)提供了新的視角。

圖1不同劃痕次數(shù)處理后的（001）MgO單晶內(nèi)部位錯(cuò)結(jié)構(gòu)TEM表征結(jié)果（a）參考樣品內(nèi)部含離散的位錯(cuò)線；（b、c）1次及10次刻劃后樣品內(nèi)部位錯(cuò)呈梯度分布；（d）1次刻劃后樣品內(nèi)部含大量位錯(cuò)直線；（e）10次刻劃后樣品內(nèi)部含大量位錯(cuò)胞；（f）位錯(cuò)密度隨刻劃次數(shù)的變化趨勢。

圖2　直徑為1 μm的不同位錯(cuò)密度的（001）MgO室溫微柱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a-d）ρ ~ 1012 m-2時(shí)變形~22%后斷裂；（e-h）ρ ~ 1014 m-2時(shí)變形~40%出現(xiàn)裂紋；（i-l）ρ ~ 1015 m-2時(shí)變形~40%出現(xiàn)裂紋

圖3ρ ~ 1015 m-2變形40%的（001）MgO微柱微觀形貌TEM表征結(jié)果（a-c）微柱截面ADF-STEM圖；（d-f）微柱頂部及裂紋尖端HRTEM圖

圖4　不同位錯(cuò)密度及不同尺寸的MgO單晶微柱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（a）ρ ~ 1012 m-2及（b）ρ ~ 1015 m-2的不同尺寸的MgO單晶的微柱壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（c-e）ρ ~ 1015 m-2的5 μm直徑的MgO微柱變形前后表面形貌；（f-h）ρ ~ 1015 m-2的5 μm直徑的MgO微柱變形前后的表面形貌

圖5直徑為~ 400 nm和~ 500 nm的MgO納米柱TEM原位壓縮結(jié)果（ρ ~1015 m-2）（a）變形前直徑為~ 400 nm的MgO納米柱內(nèi)部位錯(cuò)分布；（a1-5）直徑~ 400 nm的納米柱從0%變形到~25%的ADF-STEM圖；（b）~ 400 nm納米柱的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（c）變形前直徑為~ 500 nm的MgO納米柱內(nèi)部的位錯(cuò)分布；（c1-5）直徑~500 nm納米柱從0%增加到~21%應(yīng)變的ADF-STEM圖；（d）直徑~ 500 nm納米柱的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖6 3D-DDD模擬的低初始位錯(cuò)密度和高初始位錯(cuò)密度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)的位錯(cuò)分布圖（箭頭表示激活的位錯(cuò)源）

不同初始位錯(cuò)密度的單晶MgO微柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)的位錯(cuò)分布截圖：（a）ρ0 = 5 × 1012m-2和（e）ρ0 = 5 × 1014m-2；（b-d）和（f）中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的標(biāo)記相對(duì)應(yīng)，不同顏色的位錯(cuò)代表其具有不同的柏氏矢量

圖7（001）MgO單晶在應(yīng)變率為1.5 × 10-4 s-1時(shí)的室溫宏觀壓縮結(jié)果（a）壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；（b-g）不同應(yīng)變下宏觀試樣形貌變化；（h-k）樣品變形~2%后在不同面的滑移帶形貌光鏡圖

逯文君與方旭飛課題組長期招聘聯(lián)合培養(yǎng)博士后，有意者請將個(gè)人簡歷 (PDF) 等相關(guān)材料發(fā)送至luwj@sustech.edu.cn，郵件標(biāo)題請注明“姓名+畢業(yè)學(xué)校+應(yīng)聘職位”。

【團(tuán)隊(duì)介紹】

逯文君研究員及團(tuán)隊(duì)介紹：

逯文君研究員于2020年10月加入南方科技大學(xué)獨(dú)立建組，任博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)榻饘俨牧系慕Y(jié)構(gòu)亞穩(wěn)化、高強(qiáng)輕質(zhì)化及多維表征技術(shù)的研究，在亞穩(wěn)多主元合金的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)、新型高強(qiáng)輕質(zhì)鋼的開發(fā)、功能陶瓷增塑技術(shù)、以及多維電鏡表征方法四方面取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。近年來，在Nature Materials, Advanced Materials, Materials Today, Nature Communications, Science Advances, Advanced Functional Materials, Physical Review Letters, Acta Materialia等期刊上發(fā)表論文150余篇。先后獲得國家級(jí)青年人才、MRL年度突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)（2025）、深圳市海外高層次人才、以及新材料國際發(fā)展趨勢高層論壇優(yōu)秀青年科學(xué)家獎(jiǎng)（2021）。擔(dān)任《Materials Research Letters》、《Advanced Powder Materials》、《中國有色金屬學(xué)報(bào)》與《粉末冶金材料科學(xué)與工程》期刊青年編委；連續(xù)五年（2021 -2025）入選全球前2%頂尖科學(xué)家名單。

方旭飛研究員及團(tuán)隊(duì)介紹：

方旭飛，博士生導(dǎo)師，本科(2011)和博士(2016)畢業(yè)于清華大學(xué)。2016-2019受德國洪堡博士后獎(jiǎng)學(xué)金資助在德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所(Max-Planck-Institut für Eisenforschung) 開展博士后工作。2019-2024在德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)(TU Darmstadt)以雅典娜學(xué)者的身份領(lǐng)導(dǎo)課題組 (博導(dǎo)及獨(dú)立授課資格)，開展室溫陶瓷位錯(cuò)力學(xué)相關(guān)研究工作。自2025.04起在日本大阪大學(xué)(Osaka University) 擔(dān)任客座教授。自2024.04起在德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) 以長聘課題組組長身份開展獨(dú)立研究工作。2024.05通過德國教授資格考試 (Habilitation)，獲獨(dú)立指導(dǎo)博士生及授課資格。自2019年起，獨(dú)立主持歐盟研究委員會(huì) (European Research Council, ERC) 項(xiàng)目一項(xiàng) (150萬歐元，2023-2028)，德國研究聯(lián)合會(huì) (DFG) 項(xiàng)目兩項(xiàng) (共計(jì)約65萬歐元，2019-2023; 2023-2025)。2024年起擔(dān)任美國陶瓷學(xué)會(huì)期刊(Journal of the American Ceramic Society)客座編輯。所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)目前的研究興趣主要集中于室溫陶瓷位錯(cuò)力學(xué)及功能調(diào)控，氫脆，微納米力學(xué)，多場耦合條件下材料的變形及失效。團(tuán)隊(duì)的教學(xué)和研究成果目前獲得的獎(jiǎng)項(xiàng)包括Robert W. Cahn Best Paper Prize (Journal of Materials Science, Springer, 2022), 達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)最佳教學(xué)獎(jiǎng) (2022), 美國陶瓷學(xué)會(huì) “2nd Century Trailblazers” (Journal of the American Ceramic Society, Wiley, 2023), 德國陶瓷學(xué)會(huì)年會(huì)最佳海報(bào)獎(jiǎng)(2022), 美國陶瓷學(xué)會(huì)年會(huì)Roland B. Snow獎(jiǎng) (2023, 2024), 德國材料學(xué)會(huì)、歐洲材料學(xué)會(huì)年度最佳碩士論文獎(jiǎng) (2024) 等。

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本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。