北京大学新材料学院吴忠振团队研发大塑性高硬陶瓷材料

研究进展

近日，北京大学深圳研究生院吴忠振副教授团队与吉林大学张侃教授团队深度合作，基于自主研发的离子沉积技术，创新性地实现了CrN（氮化铬）陶瓷中高密度纳米孪晶的可控制备。研究成果表明，所制备的纳米孪晶CrN陶瓷在保持36?GPa超高硬度的同时，温压缩应变超过40%，展现出*的塑性性能。相关成果以“NanotwinnedCrNceramicswithenhancedplasticity”为题，发表于国际著名期刊NatureCommunications（2025,16:5934）。

传统陶瓷材料因本征脆性导致室温塑性严重受限，极大制约了其在极端工况下的应用。针对这一难题，团队通过离子能量调控策略精准调节材料生长过程，成功克服了陶瓷材料孪晶形成所需的高能垒，制备出孪晶界密度高达9.0×101??m?2、孪晶晶粒体积分数达52%的纳米孪晶CrN陶瓷。力学测试结果显示，该材料室温下压缩应变超过40%，极限单轴压缩强度达32?GPa，纳米压痕硬度高达36?GPa，刷新了陶瓷材料在高硬度与高塑性方面的性能极限。

通过系统的晶体结构表征与*性原理计算，研究发现孪晶界可分别稳定存在于滑移能垒较低的Cr亚晶格与滑移能垒相对较高的N亚晶格中。在外加应力作用下，Cr亚晶格孪晶界可向N亚晶格孪晶界转变：具体表现为以Cr原子为顶点的四边形结构转化为以N原子为顶点的四边形结构，从而引发孪晶界断裂、退孪晶、位错堆积等一系列孪晶重组过程，这一转变过程避免了化学键断裂，实现了类似金属的室温塑性变形机制，有效解决了单晶CrN中滑移面易断键导致脆性断裂的问题。

该研究不仅突破了陶瓷材料“高硬度与高韧性难以兼得”的长期瓶颈，还为高硬度高塑性功能陶瓷的设计与制备提供了新的理论依据与技术路径，展现出广阔的工程应用前景。

作者信息

该工作由北京大学深圳研究生院新材料学院副教授吴忠振、吉林大学教授张侃和新材料学院助理研究员崔岁寒共同指导完成。新材料学院博士后刘亮亮、博士生安小凯、博士毕业生李体军，以及吉林大学博士毕业生谷鑫磊为共同*作者。香港城市大学PaulK.CHU教授团队对本研究给予了重要支持。研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金*青年科学基金和青年基金、以及广东省及深圳市自然科学基金等多个项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61275-2

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