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材料学院团队在陶瓷位错理论以及力学性能领域取得进展

清华新闻网11月18日电 位错作为一种常见的一维缺陷在金属材料中广泛存在,并对金属材料的力学性能以及功能特性产生重要影响。然而在陶瓷材料中,位错密度低且位错起动力较大,对于陶瓷材料的性能影响尚未得到充分认识。近年来,清华大学材料学院研究团队对于陶瓷材料中的位错理论以及对力学性能的影响开展了深入研究,并取得了多项进展。

首先,陶瓷材料化学键复杂,其位错精细结构以及位错起动力的准确解析还没有深入研究,传统的堆垛层错(GSF)模型虽然广泛应用于金属材料的位错研究,但在陶瓷材料中往往无法得到合理的结果。为此,研究团队提出了基于局域失配能(LME)求解位错结构,计算位错形成能以及临界滑移驱动力(PN力)的新方法,在钛酸锶中得到的PN力相较GSF模型的结果提升了两个数量级,与实验值符合。LME模型引入了原子沿滑移面方向的自由度,模拟了化学键结构突变与极化反转等陶瓷材料中的特有现象,从而优化了位错结构,得到了合理的PN力。此外,LME模型模拟了含有氧空位的缺陷结构,发现氧空位可以降低钛酸锶的位错形成能与PN力。通过简单的氧还原过程即可令钛酸锶的断裂韧性提高30%。该项工作为非金属材料的位错研究提供了理论方法,有助于深入理解位错的成核及动力学过程,为优化陶瓷材料的机械性能,探索陶瓷的超塑性提供理论支持。

图1.探索陶瓷材料的位错结构及力学特性的新方法:局域失配能模型设计与钛酸锶陶瓷的位错特性

上述成果以“基于位错再构型的钛酸锶陶瓷派尔斯塑性的理论研究”(Theoretical insights into the Peierlsplasticity in SrTiOceramics via dislocation remodelling)为题,近期发表在国际知名期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。清华大学材料学院博士后李宜(现工作于北京化工大学)与博士后刘向阳为文章的共同第一作者。材料学院万春磊副教授为文章的通讯作者。

另一方面,面向氧化物陶瓷中因为刚性离子/共价键引起的高应变能而导致的位错密度低、热力学不稳定问题,清华材料学院研究团队发现,高熵氧化物陶瓷中存在均匀分布且密度超高(~109/mm2)的刃位错。通过实验和分子动力学模拟证明熵增能有效的补偿因位错而产生的应变能,氧化物陶瓷中位错热稳定性随成分复杂性的增加而增强。与传统陶瓷脆性断裂模式不同,裂纹与高熵氧化物陶瓷内部位错所产生的应变场发生相互作用,致使裂纹发生了显著的偏转和桥接,相比混合法则,断裂韧性提高了70%左右。本研究为制备超高位错密度氧化物陶瓷提供了可控的、有效的途径,为优化陶瓷的力学性能开辟了新的途径。

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图2.(a-f)高熵陶瓷中位错密度随熵的变化趋势;(g-h)裂纹与位错的相互作用

上述成果以“高熵氧化物陶瓷中稳定存在的超密位错”(Ultra-dense dislocations stabilized in high entropy oxide ceramics)为题,发表在国际知名期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。清华大学材料学院2017级博士生韩毅(已于2022年6月获得博士学位)和博士后刘向阳为文章共同第一作者,材料学院万春磊副教授、潘伟教授、博士后张鹏(现工作于北京工业大学)为文章的共同通讯作者。

以上两项工作得到了国家两机专项、基金委优秀青年基金、青年基金项目以及科技部重点研发计划等项目的支持。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34741-4

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30260-4

供稿:材料学院

题图设计:曾仪

编辑:李华山

审核:郭玲

2022年11月18日 10:44:49

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