卡尔斯鲁厄理工学院 & 南方科技大学最新发现： 室温宏观塑性钙钛矿氧化物KTaO3

2024年7月，德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology, KIT)方旭飞研究员团队和南方科技大学机械与能源工程系逯文君研究员团队等联合在国际陶瓷领域旗舰期刊《Journal of the American Ceramic Society》(美国陶瓷学会会刊) 上发表了题为“Room-temperature bulk plasticity in KTaO₃ and tunable dislocation densities”的论文（主编推荐论文），报道了一种具有室温塑性且可调控位错密度及塑性变形区大小的钙钛矿氧化物单晶钽酸钾KTaO₃ (大块样品室温塑性~6%，屈服强度~274 MPa)，这是目前报导的第三种具有室温宏观塑性的钙钛矿氧化物陶瓷材料。该工作通过室温Brinell球形压头循环加载以及循环刻划的方法，在 (001) 面取向的KTaO₃单晶上实现了室温位错的引入和对塑性变形区大小的控制，以及对KTaO₃单晶内部的位错结构及位错密度调控。进一步的室温块体压缩实验表明KTaO₃展现出了良好的室温塑性 (~6%)。这一系列的发现有望进一步推动基于位错调控的功能陶瓷室温塑性变形的研究。

论文链接：https://doi.org/10.1111/jace.20040

先进结构和功能陶瓷在现代工业中的重要性不言而喻。陶瓷材料在室温条件下通常以脆性变形为主导。与金属材料相比，陶瓷材料中较强的共价键和离子键导致其在室温下几乎或者很少具备位错滑移和运动的能力，而位错 (晶体材料中的线缺陷) 则是晶体材料塑性变形的主要载体。除岩盐结构的晶体 (如氟化锂LiF、氯化钠NaCl和氯化钾KCl) 以及单晶氧化镁MgO等在室温下能发生位错主导的塑性变形之外，其他能在室温下发生宏观塑性变形的陶瓷材料则鲜有报道和研究。在钙钛矿结构的氧化物中，此前仅有钛酸锶SrTiO₃ [1] (2001年报道)和铌酸钾KNbO₃ [2] (2016年报道)在室温下表现出宏观塑性变形。近年来，随着研究者越来越关注利用位错来调节陶瓷材料力学性能和功能性[3]，发现更多具有室温塑性的陶瓷材料，并通过对其内部位错结构及密度进行调制[4]，进而实现对其力学性能和功能性调控，在功能和结构陶瓷领域都具有非常大的研究意义及应用前景。

为此，方旭飞研究员团队及逯文君研究员团队通过在室温下利用大尺寸Brinell球形压头(直径~2.5 mm) 在 (001) 晶面的KTaO₃块体材料上进行循环加载实验，发现随着循环加载次数的提高，KTaO₃单晶表面产生的沿 [100] 及 [010] 方向所产生的滑移线密度逐渐提高，所产生的塑性变形区的深度也随之增加且无裂纹产生，结果如图1所示。值得注意的是，与经过循环刻划后的KTaO₃单晶表面所产生的滑移带密度的增加相对应的，则是图2中透射电显微镜TEM所观察到的位错密度的提高。

图1. KTaO₃单晶 (001) 表面经过Brinell球形压头室温循环加载及循环刻划后，表面塑性变形区域的激光显微镜图及截面形貌分布。

图2. KTaO₃单晶1次及10次循环刻划后的内部位错形貌透射电镜表征结果。

该工作进一步通过宏观单轴压缩实验证实了KTaO₃单晶的室温宏观塑性变形能力。如图3中应力-应变曲线及对应的变形在线观测所示，该材料在单轴压缩条件下由于 <110>{1-10} 滑移系的开动能够达到~6%的塑性变形，屈服强度在270 MPa左右。与此同时，(001) KTaO₃单晶屈服后出现了“下屈服点”(~250 MPa，图3A)，展现出与此前报道的SrTiO₃及KNbO₃不同的塑性变形应力-应变行为。

图3. KTaO₃单晶沿<001>方向的室温单轴压缩结果。

在该研究工作中，确定KTaO₃室温位错塑性的基本机制仍然是一个悬而未决的问题。鉴于近年来钙钛矿氧化物 (KTaO₃、SrTiO₃等) 以及氧化物中位错在压电、催化、热电、超导等领域的快速发展，该基础研究结果有望铺垫对钙钛矿氧化物位错调控力学性能和功能性的研究，在功能陶瓷和电子器件等技术领域发挥关键作用。

方旭飞研究员和南方科技大学博士生张家雯为共同第一作者，方旭飞研究员和逯文君研究员为通讯作者。室温Brinell球形压头循环加载、循环刻划实验及样品表面形貌分析由卡尔斯鲁厄理工学院博士生Alexander Frisch、Chukwudalu Okafor以及达姆施塔特工业大学博士生Oliver Preuß等完成；室温压缩及TEM表征等由南方科技大学张家雯完成。该工作获得欧洲研究委员会 (ERC)、德国研究联合会 (DFG) 资助、捷克科学基金会、深圳市科技计划项目、国家自然科学基金以及广东省基础与应用基础研究基金的资助与支持。该工作同时受德国Project DEAL资助，免费开放获取 (Open Access)。

【招聘信息】

方旭飞与逯文君课题组长期招聘联合培养博士后，有意者请将个人简历 (PDF) 等相关材料发送至xufei.fang@kit.edu和luwj@sustech.edu.cn，邮件标题请注明“姓名+毕业学校+应聘职位”。

【团队介绍】

方旭飞研究员及团队介绍：

方旭飞，博士生导师，本科(2011)和博士(2016)毕业于清华大学。2016-2019受德国洪堡博士后奖学金资助在德国马克斯普朗克钢铁研究所(Max-Planck-Institut für Eisenforschung)开展博士后工作。2019-2024在德国达姆施塔特工业大学(TU Darmstadt)以雅典娜学者的身份领导课题组 (博导及独立授课资格)，开展室温陶瓷位错力学相关研究工作。自2021.08起在日本大阪大学(Osaka University)担任客座副教授。自2024.04起在德国卡尔斯鲁厄理工学院 (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) 以长聘课题组组长身份开展独立研究工作。2024.05通过德国教授资格考试 (Habilitation)，获独立指导博士生及授课资格。自2019年起，独立主持欧盟研究委员会 (European Research Council, ERC) 项目一项 (150万欧元，2023-2028)，德国研究联合会 (DFG) 项目两项 (共计约65万欧元，2019-2023; 2023-2025)。2024年起担任美国陶瓷学会期刊(Journal of the American Ceramic Society)客座编辑。

所领导的团队目前的研究兴趣主要集中于室温陶瓷位错力学及功能调控，氢脆，微纳米力学，多场耦合条件下材料的变形及失效。团队的教学和研究成果目前获得的奖项包括Robert W. Cahn Best Paper Prize (Journal of Materials Science, Springer, 2022), 达姆施塔特工业大学最佳教学奖，美国陶瓷学会 “2^nd Century Trailblazers” (Journal of the American Ceramic Society, Wiley, 2023)，德国陶瓷学会年会最佳海报奖(2022)，美国陶瓷学会年会Roland B. Snow海报奖 (2023),德国材料学会、欧洲材料学会最佳硕士论文奖 (2024)等。

逯文君研究员及团队介绍：

逯文君研究员于2020年10月加入南方科技大学独立建组，任博士生导师。主要研究领域为金属材料的结构亚稳化、高强轻质化及多维表征技术的研究，在亚稳多主元合金的强韧化设计、新型高强轻质钢的开发、以及多维电镜表征方法三方面取得了一系列创新性的研究成果。近年来，在Nature Materials, Advanced Materials, Nature Communications, Science Advances, Advanced Functional Materials, Physical Review Letters, Acta Materialia等期刊上发表论文100余篇。先后获得国家级青年人才、深圳市海外高层次人才以及新材料国际发展趋势高层论坛优秀青年科学家奖（2021）。担任《Materials Research Letters》、《Advanced Powder Materia》、《中国有色金属学报》与《粉末冶金材料科学与工程》期刊青年编委；连续三年（2021 -2023）入选全球前2%顶尖科学家名单。

【相关文献链接】

[1] D. Brunner, S. Taeri-Baghbadrani, W. Sigle, M. Rühle, Surprising results of a study on the plasticity in strontium titanate, Journal of the American Ceramic Society 84(5) (2001) 1161-1163.

[2] A.F. Mark, M. Castillo-Rodriguez, W. Sigle, Unexpected plasticity of potassium niobate during compression between room temperature and 900°C, Journal of the European Ceramic Society 36(11) (2016) 2781-2793.

[3] X. Fang, A. Nakamura, J. Rödel, Deform to perform: Dislocation-tuned properties of ceramics, ACerS Bulletin 102(5) (2023) 24-29.

[4] X. Fang, Mechanical tailoring of dislocations in ceramics at room temperature: A perspective, Journal of the American Ceramic Society 107(3) (2024) 1425-1447.