燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高壓科學(xué)中心田永君院士團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外學(xué)者合作，采用功能基元序構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，通過調(diào)控高能亞穩(wěn)態(tài)到低能亞穩(wěn)態(tài)的固態(tài)相變，合成出層狀基元轉(zhuǎn)角序構(gòu)的氮化硼陶瓷，成功實(shí)現(xiàn)了賦予陶瓷塊材室溫塑性的重大科學(xué)目標(biāo)。研究成果以“具有高變形能力和強(qiáng)度的轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷（Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength）”為題，于2024年2月21日發(fā)表于《自然》期刊[Nature 626, 779–784 (2024)]，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07036-5。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還受邀在Nature上發(fā)表研究簡報(bào)（Research Briefing），介紹了該研究及背后的故事[Nature, https://doi.org/10.1038/d41586-024-00443-8 (2024)]，其中美國阿爾弗雷德大學(xué)的吳義權(quán)教授對(duì)該工作進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)：“看到這種陶瓷的大規(guī)模生產(chǎn)和加工成為可能，我感到非常興奮。此外，用石墨進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，這種改善陶瓷性能的方法不僅限于氮化硼，而且有可能應(yīng)用于其他層狀材料。”

相比于金屬，陶瓷具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異特性，因此作為結(jié)構(gòu)材料已得到廣泛應(yīng)用。但是，陶瓷在室溫下幾乎無塑性，僅經(jīng)歷很小的彈性變形就會(huì)發(fā)生早期脆性斷裂，引發(fā)災(zāi)難性事故，這是陶瓷作為工程材料的致命弱點(diǎn)。自陶瓷問世以來，人們一直夢想能制造出像金屬那樣在室溫可產(chǎn)生永久變形的塑性陶瓷。遺憾的是，人們僅能在高溫或微納尺度下觀察到陶瓷的塑性變形行為，實(shí)現(xiàn)陶瓷塊材室溫塑性這一科學(xué)目標(biāo)一直面臨巨大挑戰(zhàn)。

?圖? 轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷的顯微組織結(jié)構(gòu)和室溫單軸壓縮性能。a陶瓷由三維互鎖的納米片構(gòu)成，每個(gè)納米片由具有不同轉(zhuǎn)角的層狀基元堆疊而成；b陶瓷在室溫下單軸壓縮變形前后的照片；c轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷塊材的室溫變形能力、塑性和強(qiáng)度的對(duì)比。

研究團(tuán)隊(duì)利用洋蔥結(jié)構(gòu)氮化硼熱壓和放電等離子燒結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)相變，合成出一種層狀基元轉(zhuǎn)角序構(gòu)的氮化硼陶瓷塊材。這種陶瓷中的氮化硼納米片呈三維互鎖結(jié)構(gòu)，每個(gè)納米片由相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度的平行薄片（幾層到十幾層厚度）為結(jié)構(gòu)基元堆疊而成。這種轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷塊材具有超乎想象的室溫變形能力：在單軸壓縮條件下，斷裂應(yīng)變高達(dá)14%，比傳統(tǒng)陶瓷塊材高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。令人驚奇的是，這種轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷在強(qiáng)度提升至層狀六方氮化硼陶瓷6-10倍的情況下，卸載后的永久塑性變形竟然高達(dá)~8%，打破了結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和塑性難以同時(shí)提升的傳統(tǒng)認(rèn)知。這種強(qiáng)塑性提升的協(xié)同一方面源于轉(zhuǎn)角序構(gòu)的引入，使材料本征變形能力提升2個(gè)數(shù)量級(jí)；另一方面源于三維互鎖的顯微組織結(jié)構(gòu)，阻斷了扭折、分層、漣漪、位錯(cuò)等的傳播，將變形局限在單個(gè)納米片的內(nèi)部。從而，突顯了本征變形能力的貢獻(xiàn)而削弱了晶界的負(fù)面作用。

轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷不僅具有高強(qiáng)度和高塑性，還具有高的能量吸收能力和抗疲勞特性，有望進(jìn)一步研制出高性能的密封件、阻尼元件、防護(hù)裝甲等產(chǎn)品。原理上講，該研究的材料設(shè)計(jì)和合成策略可拓展到其他層狀材料體系，如石墨、MAX相陶瓷等，為進(jìn)一步研發(fā)其他體系的塑性陶瓷提供了啟示。

該工作得到國家自然科學(xué)基金（52288102，91963203，52325203，52202071，52090020等）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0305900）、河北省自然科學(xué)基金（E2023203256，E2022203109）等項(xiàng)目的資助。該研究成果已獲得中國、美國、日本、歐洲發(fā)明專利授權(quán)。論文的共同第一作者為武英舉、張洋、王小雨、胡文濤和趙松，通訊作者為趙智勝和田永君。

來源：燕山大學(xué)

原文鏈接：https://www.ysu.edu.cn/news/info/5502/21131.htm

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