新突破：中国科学家实现陶瓷增韧增塑，使陶瓷成为可拉申

2024-09-04

陶瓷作为一种古老而迷人的材料，是人类文明史上的重要发明之一。它不仅是一种无机非金属材料，也是一种传统的工艺美术，在日常生活中随处可见。它装饰着生活的每一个角落，因为它温柔的触感和华丽的外表。

另外，陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、硬度高等特点，逐步成为电池、航天工程等高科技领域不可缺少的材料。

什么成分是陶瓷的组成？

陶瓷是指以粘土、应时、长石等天然矿物为原料，按不同比例混合，最终经过成型、干燥、烧制等工艺制备的材料。

在陶瓷生产中，粘土是最基本、最重要的原料之一。陶瓷成型的基础是具有良好的可塑性，能在外力作用下变形保持形状。粘土主要由硅酸盐矿物组成，含有一定量的氧化铝、氧化铁和少量的碱性金属氧化物。

应时是陶瓷原料的重要组成部分，主要由二氧化硅组成。石英可以在高温下与其它原料发生反应，促进陶瓷锻烧过程，提高陶瓷的硬度和耐热性。

在陶瓷原料中，长石是一种溶液原料，主要由氧化钾、氧化钠和氧化铝组成。在高温下，这些氧化物变成流动的玻璃状态，不仅可以溶解陶瓷中的其它原料，还可以增加陶瓷的间隙，促进陶瓷的锻烧和致密。

为什么陶瓷“矫情”？

在日常生活中，我们在搬运或放置陶瓷产品时会格外小心，稍有不慎就会破碎，陶瓷为何如此易碎？

首先，我们应该从陶瓷的内部结构开始。陶瓷主要由非金属原子组成，由离子键和共价键组成。这些离子键具有很高的强度，赋予了陶瓷高硬度、高韧性和耐高温的特点。

但是，陶瓷中离子或原子的排列比较紧密，而且作用力大。，当陶瓷受到外力或压力时，很难通过材料内部的变形释放出来。相反，它会迅速集中在某个区域，形成受力集中点，导致原子间离子键断裂，进而导致裂纹。一旦形成裂缝，陶瓷内部就会像多米诺骨牌一样迅速扩大，直到整个物体被粉碎。

向金属“借位”，提高陶瓷韧性

2024 年 7 月 25 日本，中国科学家在科学中（Science）该杂志发表了一项关于借用金属位错提高陶瓷延展性的研究结果，该技术可以将陶瓷在室温下的延伸伸展开。

由于金属材料在外力作用下会出现位错，因此金属材料具有很强的可塑性，在外力作用下会出现位错。在晶体中，位错是一种常见的缺陷，体现在晶体中的局部原子排列背离了理想晶体结构的持续周期。

虽然位错是一个缺陷，但它对晶体的物理性质，尤其是机械性质有重要影响。它的存在可以促进晶体的塑性变形，提高材料的可塑性。

基于此，研究人员使用金属钼（Mo）作为基础，在其延伸生长氧化(La2O3)陶瓷中，通过高温烧结制备了具有有序界面结构的错氧化陶瓷材料。（DB La2O3），这种材料具有陶瓷高强度和金属材料的韧性，是陶瓷材料中的“全能手”。

借用错误的氧化硅陶瓷材料的特殊之处在于金属钼和氧化硅陶瓷之间的有序界面。通过理论计算，研究人员验证了金属钼和氧化硅之间有很强的离子键，这两种物质可以紧密结合。

当受到外力时，金属钼会出现位错，并通过有序的界面结构将位错传递给氧化陶瓷，这种方法不仅可以承受位错引起的应力，还可以缓解界面积累位错引起的应力集中，大大提高了氧化陶瓷材料的可塑性。

理论上的计算结果表明，金属位错过了“金属位错过了” - “有序页面的陶瓷”能量只是 2288.5MJ/m2，相当于金属内部错误传输所需的能量， 2543.9MJ/m2，在陶瓷材料中成功地完成了金属位错误的传输。

试验结果表明，在室温下，借用错氧化陶瓷材料的拉伸变形量是 35% 当时，内部位错密度可以达到 3.12 × 1015 每平方米，与金属钼的位错密度相等，达到 3.85 × 1015 每平方米，正是由于借位错氧化的陶瓷内高位错密度，其拉申变量可以达到强度约为39.9% 2.3GPa，颠覆了传统的陶瓷在室温环境下难以拉伸的认知。

提高陶瓷韧性能够

处理什么问题？

航天工程

在航空航天行业，陶瓷材料因其高硬度、高韧性和耐高温而受到青睐。然而，它的脆性限制了应用范围。在提高陶瓷的拉申韧性后，可以用来制造更复杂的零件，如发动机喷嘴、热保护系统等。，从而提高机械的综合性能和可靠性。

汽车制造

在汽车制造业中，陶瓷材料可以用来制造制动系统、排放系统等。提高陶瓷的拉伸韧性，可以更好地承受制动时的冲击，从而延长使用寿命，提高安全性。

能源储存

在能源储存行业，陶瓷材料可用于制造固体电池等新型储能设备。提高陶瓷的拉伸韧性，可以提高电池结构的稳定性和循环性，进而提高能量密度和安全性。

电子和半导体

陶瓷材料常用于制造电子和半导体行业的封装材料、基板等。提高陶瓷的拉申韧性，可提高封装结构的稳定性，减少热应力或机械应力造成的故障。

结语

对金属“借错”提高陶瓷韧性的研究，不仅是材料科学领域的重大突破，也是人类探索未知、挑战“不可能”的现实写照。我们希望陶瓷材料的研究能够产生更多引人注目的结果，使陶瓷设备在更多领域发光发热。

参考文献

[ 1 ] Dong L R, Zhang J, Li Y Z. et al. Borrowed dislocations for ductility in ceramics [ J ] . Science, 2024.

[ 2 ] Mo Y, Szlufarska I. Simultaneous enhancement of toughness, ductility, and strength of nanocrystalline ceramics at high strain-rates [ J ] . Applied Physics Letters, 2007.

[ 3 ] 王昕 , 谭训彦 , 尹衍升 , 等 . 纳米复合陶瓷增韧机理分析 [ J ] . 陶瓷学报 , 2000.

[ 4 ] 倪海涛 , 张喜燕 , 朱玉涛 . 对纳米结构金属位错的研究进展 [ J ] . 材料导报 , 2010.

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作者丨石畅物理学博士

制片人|中国科普博览会

董娜娜负责编辑

审校丨徐来林林

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