种瓜得瓜种豆得豆:“种位错”实现钙钛矿氧化物室温破纪录压缩塑性

【创新成果】

近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)/达姆施塔特工业大学(TU Darmstadt)方旭飞研究员团队，联合南方科技大学机械与能源工程系逯文君研究员团队等，在爱思唯尔(Elsevier)旗下材料旗舰期刊Materials Today上发表论文，报道了一种通过引入预制位错 (“种位错”, mechanically seeded dislocations)在室温下实现压缩塑性高达~30%的陶瓷材料的新方法。研究表明，通过表面研磨技术，在 (001) SrTiO₃单晶中引入密度高达~10¹⁴ m^-2的梯度位错结构后，可实现SrTiO₃单晶陶瓷在室温下大塑性变形（塑性应变大于~30%）而无断裂现象。这一创新设计为陶瓷材料的室温塑性变形提供了新思路，同时为研发力学性能优良的陶瓷基电子设备与器件开辟了新的技术途径。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.11.014

先进陶瓷材料因其高硬度、耐高温、耐腐蚀，以及对声、光、电、力、热等物理激励的响应，在航空航天、电子器件、生物医疗和能源等领域具有广泛的应用。然而，陶瓷材料的致命缺点是其塑性变形能力非常差，通常在室温下表现为脆性断裂，严重限制了其在力学加载工况下的实际应用。尽管长期以来研究者们致力于通过增强陶瓷材料的韧性，但在室温下实现显著塑性变形的研究进展依然有限。位错（晶体材料中的线缺陷）被认为是提升陶瓷塑性变形能力的关键因素之一：通过引入位错，不仅可以优化其室温力学性能，还能改善陶瓷的物理性能。然而，经过传统烧结制备的陶瓷材料中位错的密度通常较低，位错成核需要克服极高的能量壁垒，加上绝大部分陶瓷材料中较强的离子和共价键并不利于位错滑移，因此导致传统的力学加载很容易诱发裂纹优先扩展而非位错主导的的塑性变形。最新研究表明，通过机械加工的方法在室温下预制高密度位错能够有效抑制氧化物陶瓷中裂纹的形成[1]。然而，预制位错对陶瓷的室温塑性变形的影响机制尚不明确，这对在微观和宏观层面优化陶瓷的力学和功能性能提出了挑战。

针对这一挑战，卡尔斯鲁厄理工学院/达姆施塔特工业大学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提出了一种创新方法：在室温下通过表面抛磨的方法预制高密度可动位错（~10¹⁴ m⁻²），巧妙地解决了位错成核难这一瓶颈。预制的位错在后续机械加载过程中能有效地在材料中进一步滑移和增殖，能有效地将表面位错扩展至基体，显著提升了陶瓷的塑性变形能力并抑制裂纹形成（设计理念参看图1）。研究人员通过扫描透射电镜详细表征了位错形貌结构及构型，并利用双球差校正透射电镜表征分析了研磨过程中引入的位错核结构。研究人员首先通过透射电镜原位压缩试验揭示了预制的位错通过交滑移和位错运动增殖，有效促进了材料的的塑性变形，最终实现了超过30%的塑性变形（图2）。进一步的微柱压缩实验表明，无预制位错的样品在室温下仅表现出弹性变形，断裂强度高达4.5 GPa且伴随典型的脆性断裂；预制位错的微柱则表现出良好的塑性变形能力（塑性应变约25%），且其屈服强度降低至约400 MPa（图3）。该研究通过引入高密度可动位错，成功突破了陶瓷材料的传统脆性限制，验证了位错在促进交滑移及增殖中的重要作用，并为解决陶瓷材料在尺寸效应下的塑性与裂纹竞争矛盾提供了全新思路。该研究以钛酸锶（SrTiO₃）单晶为模型材料，通过实验验证了预制位错能有效地将该材料从微纳尺度到宏观尺度的塑性变形行为进行统一。值得一提的是，研究人员进一步论证了该设计理念能有效推广到其他钙钛矿陶瓷材料体系[2]。

【数据概览】

图 1. 实现陶瓷优异室温塑性的设计理念示意图：金属材料中有/无位错均可发生塑性变形；无位错的陶瓷材料仅在小尺寸下可发生有限的变形；而通过力学摩擦表面植入位错后的陶瓷材料在大尺寸下也具备塑性变形的能力。

图 2. 扫描透射电子显微镜中对纳米柱进行原位压缩实验：无表面植入位错的钛酸锶氧化物单晶压缩时发生脆性断裂；植入表面位错后的钛酸锶氧化物单晶在压缩过程中发生塑性变形并沿{110}面产生滑移。

图 3. 无表面植入位错对比表面植入位错后的SrTiO₃单晶氧化物室温微柱压缩结果：无表面植入位错的单晶在~4.3%弹性变形之后发生脆性断裂；植入表面位错后的样品产生~25%的塑性变形。对变形后的样品进行投射电镜分析，可直观揭示表面植入位错在后续变形中发生剧烈增殖和滑移，由此将塑性变形拓展到先前无位错区域。

图 4. 尺寸效应和种植位错对陶瓷塑性变形的影响：（A）各种脆性材料的微压缩试验结果展现“越小塑性越高”的趋势（本工作用绿色星号表示）；（B）随着位错的增加，屈服强度降低，陶瓷发生塑性变形的几率增大。

相关研究成果以题：Harvesting room-temperature plasticity in ceramics by mechanically seeded dislocations发表在爱思唯尔(Elsevier)旗下材料旗舰期刊Materials Today上。卡尔斯鲁厄理工学院/达姆施塔特工业大学方旭飞研究员和南方科技大学逯文君研究员为本论文共同第一及通讯作者，达姆施塔特工业大学Jürgen Rödel教授为共同通讯作者，南方科技大学博士生张家雯为论文的第三作者。该工作获得欧洲研究委员会(ERC)、德国研究联合会 (DFG)、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、南方科技大学分析测试中心的资助与支持，作者感谢百实创有限公司的大力支持。

参考文献：

[1] O. Preuß, E. Bruder, J. Zhang, W. Lu, J. Rödel, Damage-tolerant oxides by imprint of an ultra-high dislocation density, Journal of the European Ceramic Society, 2025, 45(2): 116969.

[2] X. Fang, J. Zhang, A. Frisch, O. Preuß, C. Okafor, M. Setvin, W. Lu, Room-temperature bulk plasticity in KTaO₃ and tunable dislocation densities, Journal of the American Ceramic Society, 2024, 107(11): 7054-7061.

【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 (2022), 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奖 (2023, 2024), 德国材料学会、欧洲材料学会年度最佳硕士论文奖 (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, Materials Today, 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；连续四年（2021 -2024）入选全球前2%顶尖科学家名单。