塑性力學頂刊《IJP》：MgO陶瓷中位錯主導的室溫多尺度塑性變形

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

研究發現，位錯密度的調控能有效提升MgO的壓縮塑性。位錯密度為~1015m-2的直徑約為~400nm的MgO納米柱塑性最高達到~70%，屈服強度為~2.35 GPa；而宏觀尺度下MgO單晶的屈服強度下降為~120 MPa，塑性應變為~6%。3D-DDD模擬進一步解釋了低位錯密度及高位錯密度下主導的位錯雪崩及位錯加工硬化行為。相關論文以題為“Scale-bridging dislocation plasticity in MgO at room temperature”刊登在塑性力學頂級期刊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點良好的熱穩定性，在能源、催化和高溫防護等領域應用廣泛，但其室溫本征脆性嚴重制約了實際應用。研究發現，位錯在功能氧化物陶瓷中的引入可以有效提升其力學性能，使其在室溫下也能發生一定的塑性變形 [1–3] 。在金屬中，位錯的增殖及運動能有效促進其在室溫下的塑性變形；而陶瓷材料中較強的離子鍵/共價鍵導致位錯在其內部難以形核、增殖以及運動。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（~1014 m-2），并能使其在室溫下發生超過~20%的塑性變形 [1,3] 。但是，種位錯以提高氧化物陶瓷的室溫塑性，以及位錯在不同尺度下對氧化物陶瓷的變形行為的影響將如何？

為了解決以上問題，南方科技大學逯文君研究員及其博士生張家雯，聯合清華大學崔一南研究員團隊，德國馬克斯-普朗克研究所，以及卡爾斯魯厄理工學院方旭飛研究員團隊，以巖鹽結構的(001)面的MgO單晶為研究目標，使用毫米級的布氏球頭循環刻劃實現MgO陶瓷表面位錯的調控，位錯密度從~1012m-2分別提高至~1014m-2至~1015m-2，如圖1所示。隨著位錯密度的提高，MgO單晶內部的位錯結構由45°位錯線（螺位錯）發展為高度纏結的位錯胞結構（圖1e）。

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

進一步的3D-DDD模擬所得的應力-應變曲線（圖6（a、e））與本文實驗所觀察到的結果一致，低位錯密度（ρ0 = 5 × 1012 m-2）時，應力-應變曲線出現了明顯的應力下降的行為，這與本文實驗中未經刻劃處理的MgO單晶的變形行為相符（圖2（a-d））。對于低位錯密度的微柱樣品，塑性變形主要由有限的位錯源主導；隨著應力的增加，通常只有一個位錯源被激活，被激活的位錯源迅速滑過整個滑移面，導致顯著的應力下降。對于高初始位錯密度的樣品，一旦位錯源被激活，被激活的位錯源很快就會受到其他位錯的阻礙，難以迅速地滑過整個滑移面，這導致了較小的應力下降幅度（圖6（e））。此外，初始位錯密度為~1012 m-2的宏觀試樣在變形~4%后開始產生裂紋，同時屈服強度下降為~120 MPa。該研究為了解位錯介導的功能陶瓷多尺度力學提供了新的視角。

圖1不同劃痕次數處理后的（001）MgO單晶內部位錯結構TEM表征結果（a）參考樣品內部含離散的位錯線；（b、c）1次及10次刻劃后樣品內部位錯呈梯度分布；（d）1次刻劃后樣品內部含大量位錯直線；（e）10次刻劃后樣品內部含大量位錯胞；（f）位錯密度隨刻劃次數的變化趨勢。

圖2　直徑為1 μm的不同位錯密度的（001）MgO室溫微柱壓縮實驗結果（a-d）ρ ~ 1012 m-2時變形~22%后斷裂；（e-h）ρ ~ 1014 m-2時變形~40%出現裂紋；（i-l）ρ ~ 1015 m-2時變形~40%出現裂紋

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

圖4　不同位錯密度及不同尺寸的MgO單晶微柱壓縮實驗結果對比（a）ρ ~ 1012 m-2及（b）ρ ~ 1015 m-2的不同尺寸的MgO單晶的微柱壓縮應力-應變曲線；（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原位壓縮結果（ρ ~1015 m-2）（a）變形前直徑為~ 400 nm的MgO納米柱內部位錯分布；（a1-5）直徑~ 400 nm的納米柱從0%變形到~25%的ADF-STEM圖；（b）~ 400 nm納米柱的壓縮應力-應變曲線；（c）變形前直徑為~ 500 nm的MgO納米柱內部的位錯分布；（c1-5）直徑~500 nm納米柱從0%增加到~21%應變的ADF-STEM圖；（d）直徑~ 500 nm納米柱的壓縮應力-應變曲線；

圖6 3D-DDD模擬的低初始位錯密度和高初始位錯密度下的應力-應變曲線和相應的位錯分布圖（箭頭表示激活的位錯源）

不同初始位錯密度的單晶MgO微柱的應力-應變曲線及對應的位錯分布截圖：（a）ρ0 = 5 × 1012m-2和（e）ρ0 = 5 × 1014m-2；（b-d）和（f）中的位錯結構與應力-應變曲線上的標記相對應，不同顏色的位錯代表其具有不同的柏氏矢量

圖7（001）MgO單晶在應變率為1.5 × 10-4 s-1時的室溫宏觀壓縮結果（a）壓縮應力應變曲線圖；（b-g）不同應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

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【團隊介紹】

逯文君研究員及團隊介紹：

逯文君研究員于2020年10月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領域為金屬材料的結構亞穩化、高強輕質化及多維表征技術的研究，在亞穩多主元合金的強韌化設計、新型高強輕質鋼的開發、功能陶瓷增塑技術、以及多維電鏡表征方法四方面取得了一系列創新性的研究成果。近年來，在Nature Materials, Advanced Materials, Materials Today, Nature Communications, Science Advances, Advanced Functional Materials, Physical Review Letters, Acta Materialia等期刊上發表論文150余篇。先后獲得國家級青年人才、MRL年度突出貢獻獎（2025）、深圳市海外高層次人才、以及新材料國際發展趨勢高層論壇優秀青年科學家獎（2021）。擔任《Materials Research Letters》、《Advanced Powder Materials》、《中國有色金屬學報》與《粉末冶金材料科學與工程》期刊青年編委；連續五年（2021 -2025）入選全球前2%頂尖科學家名單。

方旭飛研究員及團隊介紹：

方旭飛，博士生導師，本科(2011)和博士(2016)畢業于清華大學。2016-2019受德國洪堡博士后獎學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在德國達姆施塔特工業大學(TU Darmstadt)以雅典娜學者的身份領導課題組 (博導及獨立授課資格)，開展室溫陶瓷位錯力學相關研究工作。自2025.04起在日本大阪大學(Osaka University) 擔任客座教授。自2024.04起在德國卡爾斯魯厄理工學院 (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) 以長聘課題組組長身份開展獨立研究工作。2024.05通過德國教授資格考試 (Habilitation)，獲獨立指導博士生及授課資格。自2019年起，獨立主持歐盟研究委員會 (European Research Council, ERC) 項目一項 (150萬歐元，2023-2028)，德國研究聯合會 (DFG) 項目兩項 (共計約65萬歐元，2019-2023; 2023-2025)。2024年起擔任美國陶瓷學會期刊(Journal of the American Ceramic Society)客座編輯。所領導的團隊目前的研究興趣主要集中于室溫陶瓷位錯力學及功能調控，氫脆，微納米力學，多場耦合條件下材料的變形及失效。團隊的教學和研究成果目前獲得的獎項包括Robert W. Cahn Best Paper Prize (Journal of Materials Science, Springer, 2022), 達姆施塔特工業大學最佳教學獎 (2022), 美國陶瓷學會 “2nd Century Trailblazers” (Journal of the American Ceramic Society, Wiley, 2023), 德國陶瓷學會年會最佳海報獎(2022), 美國陶瓷學會年會Roland B. Snow獎 (2023, 2024), 德國材料學會、歐洲材料學會年度最佳碩士論文獎 (2024) 等。

參考文獻：

[1] X. Fang, W. Lu, J. Zhang, C. Minnert, J. Hou, S. Bruns, U. Kunz, A. Nakamura, K. Durst, J. R?del, Harvesting room-temperature plasticity in ceramics by mechanically seeded dislocations, Materials Today. 82 (2025) 81–91.

[2] C. Shen, J. Li, T. Niu, J. Cho, Z. Shang, Y. Zhang, A. Shang, B. Yang, K. Xu, R.E. García, H. Wang, X. J. Zhang, Achieving room temperature plasticity in brittle ceramics through elevated temperature preloading, 10 (2024) eadj4079.

[3] J. Zhang, X. Fang, W. Lu, Impact of dislocation densities on the microscale strength of single-crystal strontium titanate, Acta Mater. 291 (2025) 121004.

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。