北京大學(xué)新材料學(xué)院吳忠振團隊研發(fā)大塑性高硬陶瓷材料

研究進展

近日，北京大學(xué)深圳研究生院吳忠振副教授團隊與吉林大學(xué)張侃教授團隊深度合作，基于自主研發(fā)的離子沉積技術(shù)，創(chuàng)新性地實現(xiàn)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(yīng)變超過40%，展現(xiàn)出*的塑性性能。相關(guān)成果以“NanotwinnedCrNceramicswithenhancedplasticity”為題，發(fā)表于國際著名期刊NatureCommunications（2025,16:5934）。

傳統(tǒng)陶瓷材料因本征脆性導(dǎo)致室溫塑性嚴(yán)重受限，極大制約了其在極端工況下的應(yīng)用。針對這一難題，團隊通過離子能量調(diào)控策略精準(zhǔn)調(diào)節(jié)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?jǐn)?shù)達52%的納米孿晶CrN陶瓷。力學(xué)測試結(jié)果顯示，該材料室溫下壓縮應(yīng)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(tǒng)的晶體結(jié)構(gòu)表征與*性原理計算，研究發(fā)現(xiàn)孿晶界可分別穩(wěn)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(yīng)力作用下，Cr亞晶格孿晶界可向N亞晶格孿晶界轉(zhuǎn)變：具體表現(xiàn)為以Cr原子為頂點的四邊形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為以N原子為頂點的四邊形結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)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(zhuǎn)變過程避免了化學(xué)鍵斷裂，實現(xiàn)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(dǎo)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(shè)計與制備提供了新的理論依據(jù)與技術(shù)路徑，展現(xiàn)出廣闊的工程應(yīng)用前景。

作者信息

該工作由北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院副教授吳忠振、吉林大學(xué)教授張侃和新材料學(xué)院助理研究員崔歲寒共同指導(dǎo)完成。新材料學(xué)院博士后劉亮亮、博士生安小凱、博士畢業(yè)生李體軍，以及吉林大學(xué)博士畢業(yè)生谷鑫磊為共同*作者。香港城市大學(xué)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(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金*青年科學(xué)基金和青年基金、以及廣東省及深圳市自然科學(xué)基金等多個項目的資助。

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