燕山大學發表2024年第2篇nature

　　燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室高壓科學中心田永君院士團隊與國內外學者合作，采用功能基元序構的設計策略，通過調控高能亞穩態到低能亞穩態的固態相變，合成出層狀基元轉角序構的氮化硼陶瓷，成功實現了賦予陶瓷塊材室溫塑性的重大科學目標。研究成果以“具有高變形能力和強度的轉角層狀氮化硼陶瓷（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，研究團隊還受邀在Nature上發表研究簡報（Research Briefing），介紹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的吳義權教授對該工作進行了點評：“看到這種陶瓷的大規模生產和加工成為可能，我感到非常興奮。此外，用石墨進行的實驗表明，這種改善陶瓷性能的方法不僅限于氮化硼，而且有可能應用于其他層狀材料。”

圖為轉角層狀氮化硼陶瓷的顯微組織結構和室溫單軸壓縮性能。a陶瓷由三維互鎖的納米片構成，每個納米片由具有不同轉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轉角層狀氮化硼陶瓷與傳統陶瓷塊材的室溫變形能力、塑性和強度的對比

　　相比于金屬，陶瓷具有輕質、高強、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優異特性，因此作為結構材料已得到廣泛應用。但是，陶瓷在室溫下幾乎無塑性，僅經歷很小的彈性變形就會發生早期脆性斷裂，引發災難性事故，這是陶瓷作為工程材料的致命弱點。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，實現陶瓷塊材室溫塑性這一科學目標一直面臨巨大挑戰。

　　研究團隊利用洋蔥結構氮化硼熱壓和放電等離子燒結過程中的結構相變，合成出一種層狀基元轉角序構的氮化硼陶瓷塊材。這種陶瓷中的氮化硼納米片呈三維互鎖結構，每個納米片由相對轉動不同角度的平行薄片（幾層到十幾層厚度）為結構基元堆疊而成。這種轉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，斷裂應變高達14%，比傳統陶瓷塊材高出一個數量級。令人驚奇的是，這種轉角層狀氮化硼陶瓷在強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~8%，打破了結構材料強度和塑性難以同時提升的傳統認知。這種強塑性提升的協同一方面源于轉角序構的引入，使材料本征變形能力提升2個數量級；另一方面源于三維互鎖的顯微組織結構，阻斷了扭折、分層、漣漪、位錯等的傳播，將變形局限在單個納米片的內部。從而，突顯了本征變形能力的貢獻而削弱了晶界的負面作用。

　　轉角層狀氮化硼陶瓷不僅具有高強度和高塑性，還具有高的能量吸收能力和抗疲勞特性，有望進一步研制出高性能的密封件、阻尼元件、防護裝甲等產品。原理上講，該研究的材料設計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，為進一步研發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基金（52288102，91963203，52325203，52202071，52090020等）、國家重點研發計劃（2018YFA0305900）、河北省自然科學基金（E2023203256，E2022203109）等項目的資助。該研究成果已獲得中國、美國、日本、歐洲發明專利授權。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。