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清華大學重磅《Nature》子刊：超高穩定、超高密度位錯高熵氧化物陶瓷獲得重大突破！

2022-05-26 11:23:15 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

位錯是由周期性排列的原子局部位移形成的晶體中的線缺陷，廣泛存在于金屬、合金和金屬間化合物（硼化物、碳化物）中，并在其巨大的機械性能和功能性能中發揮重要作用。金屬和金屬化合物中高密度位錯的存在主要是由于金屬鍵的非定向和非特異性性質，可以松弛和適應位錯引起的應變。相比之下，到目前為止，位錯在氧化物陶瓷中并不常見，而且重要性也不大。主要原因是氧化物陶瓷由剛性和剛性的離子/共價鍵組成，幾乎不能承受與位錯相關的大應變能，這與金屬或金屬化合物有很大不同。有許多報道在氧化物陶瓷中引起位錯，例如高溫變形。然而，這些位錯總是表現出低密度（10^6 ?mm^-2），比金屬或合金（10^8 ?mm^-2）。同時，位錯在熱力學上總是不穩定的，高溫退火會導致位錯的湮滅。也有人努力在兩種不同材料之間的界面周圍誘導位錯，但位錯集中在靠近界面的區域，對塊體材料的性能影響很小。因此，位錯對氧化物陶瓷性能的影響尚未得到充分認識。

特別是，位錯可以改善氧化物陶瓷的脆性，這一直是阻礙其更廣泛應用的主要問題。最近發現，高密度位錯可以使陶瓷晶體表面產生局部可塑性，并可能成為塊狀陶瓷中的額外增韌機制。它還表明，位錯周圍的應變場也可以通過應力屏蔽效應有助于提高斷裂韌性。然而，這兩種途徑都需要在塊狀陶瓷中達到10^8 ?mm^-2水平的高密度位錯，這超出了可用技術的范圍。

同時，高熵陶瓷在廣泛的領域引起了迅速增長的興趣，這為調整氧化物陶瓷的微觀結構和性能帶來了機會。盡管已經大量報道了高熵陶瓷的各種有趣特性，但對其微觀結構的深入了解尚未出現。到目前為止。強烈需要對高熵氧化物陶瓷的微觀結構有更多的了解，以進一步了解它們的異常特性并加速探索前所未有的特性和應用。

在這項工作中，清華大學萬春磊教授團隊報告了隱藏在高熵氧化物陶瓷中的通用微觀結構特征。發現超高密度位錯（~10^9 ?mm^-2）存在在高熵氧化物陶瓷中。這些位錯在熱力學上是穩定的，因為構型熵增益可以補償由氧化物陶瓷中剛性離子/共價鍵引起的大應變。我們進一步證明了隨著成分復雜性的增加，熵增益甚至可以進一步調整位錯的密度。應該提到的是，位錯總是出現在簡單和高熵金屬間化合物中，例如硼化物和碳化物，但這些材料包含金屬鍵以適應位錯的應變，顯示出與氧化物陶瓷不同的情況。同時，我們表明超致密位錯通過與裂紋的相互作用顯示出額外的增韌效應。高熵氧化物陶瓷中位錯的應變場可以通過使用多價陽離子來擴大，這可以提高偏轉和裂紋橋接的機會，從而大大提高機械韌性。這項工作提供了一種在氧化物陶瓷中建立超高密度位錯的可控方法，并具有潛在的技術應用，例如熱障涂層、固體氧化物燃料電池、光伏、鐵電體、電介質和熱電體。相關研究成果以題“Ultra-dense dislocations stabilized in high entropy oxide ceramics”發表在國際著名期刊Nature Communications上。

論文鏈接：

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

圖 1：具有線位錯和應變分布的 Gd 2 Zr 2 O 7和高熵氧化物陶瓷（HEFO,（Sm 0.2 Gd 0.2 Dy 0.2 Er 0.2 Yb 0.2 ） 2 Zr 2 O 7 ）的高分辨率表征。

圖 2：為 MD 模擬創建的線位錯模型。

圖 3：不同主元素樣品的高分辨率表征和位錯密度。

圖 4：各種結構的高熵氧化物中超致密位錯的高分辨率觀察。

圖 5：裂紋擴展過程中 Gd 2 Zr 2 O 7和 Ca 1.2 Gd 0.8 Zr 0.8 Nb 0.6 Ta 0.6 O 7 （HEPO）的配位數分布以及實驗觀察結果。

總之，作者首次在沒有任何特殊處理的情況下觀察到高熵氧化物陶瓷中邊緣位錯的超高密度（~10 9 ?mm -2 ）。這些邊緣位錯均勻分布在各種氧化物陶瓷中。位錯源于成分的復雜性，其中構型熵增益可以補償由氧化物陶瓷中的剛性離子/共價鍵合引起的位錯的大應變能。此外，密度甚至可以通過組合復雜度和隨之而來的配置熵增益來系統地調整。這種大密度位錯對陶瓷的性能有不同尋常的影響。例如，與混合定律計算的斷裂韌性相比，由于裂紋和超致密位錯周圍的大應變場之間的多重相互作用，HEPO 的斷裂韌性顯著提高（高達 70%）。我們相信這項工作可以為高熵氧化物陶瓷的微觀結構提供新的視角。這可能會加深對高熵陶瓷異常性能的認識，加速探索新的性能和應用。這也提供了一種特殊且可控的方法來在氧化物陶瓷中建立超高密度位錯以實現未探索的現象和特性。

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