北京大學新材料學院吳忠振團隊研發大塑性高硬陶瓷材料

研究進展

近日，北京大學深圳研究生院吳忠振副教授團隊與吉林大學張侃教授團隊深度合作，基于自主研發的離子沉積技術，創新性地實現了CrN（氮化鉻）陶瓷中高密度納米孿晶的可控制備。研究成果表明，所制備的納米孿晶CrN陶瓷在保持36?GPa超高硬度的同時，溫壓縮應變超過40%，展現出*的塑性性能。相關成果以“NanotwinnedCrNceramicswithenhancedplasticity”為題，發表于國際著名期刊NatureCommunications（2025,16:5934）。

傳統陶瓷材料因本征脆性導致室溫塑性嚴重受限，極大制約了其在極端工況下的應用。針對這一難題，團隊通過離子能量調控策略精準調節材料生長過程，成功克服了陶瓷材料孿晶形成所需的高能壘，制備出孿晶界密度高達9.0×101??m?2、孿晶晶粒體積分數達52%的納米孿晶CrN陶瓷。力學測試結果顯示，該材料室溫下壓縮應變超過40%，極限單軸壓縮強度達32?GPa，納米壓痕硬度高達36?GPa，刷新了陶瓷材料在高硬度與高塑性方面的性能極限。

通過系統的晶體結構表征與*性原理計算，研究發現孿晶界可分別穩定存在于滑移能壘較低的Cr亞晶格與滑移能壘相對較高的N亞晶格中。在外加應力作用下，Cr亞晶格孿晶界可向N亞晶格孿晶界轉變：具體表現為以Cr原子為頂點的四邊形結構轉化為以N原子為頂點的四邊形結構，從而引發孿晶界斷裂、退孿晶、位錯堆積等一系列孿晶重組過程，這一轉變過程避免了化學鍵斷裂，實現了類似金屬的室溫塑性變形機制，有效解決了單晶CrN中滑移面易斷鍵導致脆性斷裂的問題。

該研究不僅突破了陶瓷材料“高硬度與高韌性難以兼得”的長期瓶頸，還為高硬度高塑性功能陶瓷的設計與制備提供了新的理論依據與技術路徑，展現出廣闊的工程應用前景。

作者信息

該工作由北京大學深圳研究生院新材料學院副教授吳忠振、吉林大學教授張侃和新材料學院助理研究員崔歲寒共同指導完成。新材料學院博士后劉亮亮、博士生安小凱、博士畢業生李體軍，以及吉林大學博士畢業生谷鑫磊為共同*作者。香港城市大學PaulK.CHU教授團隊對本研究給予了重要支持。研究工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金*青年科學基金和青年基金、以及廣東省及深圳市自然科學基金等多個項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61275-2