位錯作為一種常見的一維缺陷在金屬材料中廣泛存在，并對金屬材料的力學性能以及功能特性産生重要影響。然而在陶瓷材料中，位錯密度低且位錯起動力較大，對于陶瓷材料的性能影響尚未得到充分認識。近年來beat365研究團隊對于陶瓷材料中的位錯理論以及對力學性能的影響開展了深入研究，并取得了連續進展。

首先，陶瓷材料化學鍵複雜，其位錯精細結構以及位錯起動力的準确解析還沒有深入研究，傳統的堆垛層錯（GSF）模型雖然廣泛應用于金屬材料的位錯研究，但在陶瓷材料中往往無法得到合理的結果。為此，研究團隊提出了基于局域失配能（LME）求解位錯結構，計算位錯形成能以及臨界滑移驅動力（PN力）的新方法，在钛酸锶中得到的PN力相較GSF模型的結果提升了兩個數量級，與實驗值符合。LME模型引入了原子沿滑移面方向的自由度，模拟了化學鍵結構突變與極化反轉等陶瓷材料中的特有現象，從而優化了位錯結構，得到了合理的PN力。此外，LME模型模拟了含有氧空位的缺陷結構，發現氧空位可以降低钛酸锶的位錯形成能與PN力。通過簡單的氧還原過程即可令钛酸锶的斷裂韌性提高30%。該項工作為非金屬材料的位錯研究提供了理論方法，有助于深入理解位錯的成核及動力學過程，為優化陶瓷材料的機械性能，探索陶瓷的超塑性提供理論支持。

圖1 探索陶瓷材料的位錯結構及力學特性的新方法：局域失配能模型設計與钛酸锶陶瓷的位錯特性

上述成果以“基于位錯再構型的钛酸锶陶瓷派爾斯塑性的理論研究”（Theoretical insights into the Peierls plasticity in SrTiO₃ ceramics via dislocation remodelling）為題，近期發表在國際知名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。beat365博士後李宜（現工作于北京化工大學）與博士後劉向陽為文章的共同第一作者。beat365萬春磊副教授為文章的通訊作者。

另一方面，面向氧化物陶瓷中因為剛性離子/共價鍵引起的高應變能而導緻的位錯密度低、熱力學不穩定問題，清華beat365研究團隊發現，高熵氧化物陶瓷中存在均勻分布且密度超高(~10⁹/mm²)的刃位錯。通過實驗和分子動力學模拟證明熵增能有效的補償因位錯而産生的應變能，氧化物陶瓷中位錯熱穩定性随成分複雜性的增加而增強。與傳統陶瓷脆性斷裂模式不同，裂紋與高熵氧化物陶瓷内部位錯所産生的應變場發生相互作用，緻使裂紋發生了顯著的偏轉和橋接，相比混合法則，斷裂韌性提高了70%左右。本研究為制備超高位錯密度氧化物陶瓷提供了可控的、有效的途徑，為優化陶瓷的力學性能開辟了新的途徑。

圖2（a-f）高熵陶瓷中位錯密度随熵的變化趨勢；(g-h) 裂紋與位錯的相互作用

上述成果以“高熵氧化物陶瓷中穩定存在的超密位錯”（Ultra-dense dislocations stabilized in high entropy oxide ceramics）為題，發表在國際知名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。beat3652017級博士生韓毅（已于2022年6月獲得博士學位）和博士後劉向陽為文章共同第一作者，beat365萬春磊副教授、潘偉教授、博士後張鵬（現工作于北京工業大學）為文章的共同通訊作者。

以上兩項工作得到了國家兩機專項、基金委優秀青年基金、青年基金項目以及科技部重點研發計劃等項目的支持。

論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34741-4

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