清華新聞網11月1日電 陶瓷是我國的重大發明，是中華文明的重要載體。先進陶瓷材料因具有耐高溫、耐腐蝕、強度高、密度低等優異性能而備受關注，并成為許多高新技術領域發展的關鍵材料。自上世紀六十年代末開始，陶瓷發動機就因具有重量輕、工作溫度高、熱機轉化效率高的特點，引起了世界各國的重視。各國紛紛加大投入，啟動各類研究計劃，掀起了全球的研究熱潮。然而，經過數十年努力，陶瓷發動機的研究未能取得很大突破。究其原因，主要在于未能解決陶瓷的脆性問題，從而導緻陶瓷材料的可靠性低。因此，陶瓷材料增韌和其塑性研究，一直是陶瓷材料研究的核心内容和重要前沿，也是難度最大、最具挑戰性的課題之一。
近日，beat365研究團隊通過在共價鍵氮化矽陶瓷材料中設計共格界面，創新性引入“共價鍵斷裂-旋轉-再鍵合”方式來實現類似金屬中的位錯運動，使得氮化矽陶瓷表現出前所未有的室溫壓縮塑性形變，形變量高達20%，同時其壓縮強度提高至原來的2.3倍（~11GPa）。
研究團隊在氮化矽陶瓷中設計了一種共格界面結構。通過旋進電子衍射（PED）、高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）、積分差分相位襯度技術（iDPC-STEM）精細表征了共格界面在氮化矽陶瓷中的分布、界面原子結構、晶體取向關系（圖1）。
圖1.具有α/β共格界面的Si3N4陶瓷的微觀結構
原位力學測試表明，與不含有共格界面結構的普通氮化矽陶瓷相比，具有α/β共格界面結構的氮化矽陶瓷表現出前所未有的高達20%的室溫壓縮塑性形變，壓縮強度提高至原來的2.3倍（~11GPa）。這種強度與塑性應變的同時提升，在陶瓷材料中殊為少見（圖2）。
圖2.具有不同比例共格界面的多晶Si3N4納米柱的力學行為
為了研究在外力作用下的結構演變，研究團隊分别觀察了材料在靜态和動态載荷下的變化。結果顯示，具有共格結構的氮化矽陶瓷在兩種載荷的作用下，均能夠發生β→α的相變，這種室溫下壓力誘導的β→α相變是首次發現。相比之下，不具有共格結構的氮化矽則無法發生β→α相變（圖3）。研究團隊使用原位透射電子顯微鏡揭示了這種α/β共格界面在應力誘導的β→α相變中的作用（圖4）。
圖3.在高壓壓縮過程中，Si3N4樣品中的相含量變化
圖4.原位TEM展示的一個代表性β→α相變
研究團隊通過第一性原理計算在原子層級揭示了β→α相變機制，原子尺度的滑動以及随後[NSi3]單元旋轉和界面上的結構畸變導緻了相變的發生（圖5）。α和β之間的共格界面有利于斷鍵後原子的再結合，這促進了鍵的轉換，而不會引發傳統斷鍵過程中總是出現的裂紋。而由鍵轉換産生的連續原子重排的積累導緻了應力誘導β→α相變和随後的塑性變形能力。
圖5. 計算結果展示了β→α的相變路徑
相關成果于10月28日發表在《科學》（Science）期刊上，标題為“基于共格界面鍵切換機制實現氮化矽陶瓷塑性變形”（Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces）。該研究成果被《科學》期刊選為“研究亮點”（Research Highlights），編輯以“逐步終結斷裂”（Phasing out fracture）為題予以重點介紹。《科學》期刊同期還發表了針對該研究成果的前瞻性（Perspective）文章，文章指出，陶瓷如能實現塑性，将成為比目前性能最好的合金還要更輕、更強的材料，但陶瓷塑性非常罕見；該研究通過獨特的結構設計和新的相變機制，在氮化矽（綜合性能最優異的工程陶瓷之一）中實現了室溫塑性，這為最終實現可變形陶瓷的夢想提供了可行途徑。該研究成果一經發表，立即引起廣泛關注，phys.org、nanowerk等知名學術網站紛紛進行了報道。
該論文的通訊作者為國家自然科學基金委員會陳克新研究員，共同第一作者為beat365張傑博士、劉光華副教授、崔巍博士，中科院物理所杜世萱研究員等為主要合作者。beat365為論文的第一完成單位。
論文鍊接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7490
供稿：beat365
編輯：李華山
審核：呂婷 郭玲