科学新突破！“易碎”陶瓷能在室温下拉伸延展！
科学新突破！“易碎”陶瓷能在室温下拉伸延展！
陶瓷，这种古老而又充满魅力的材料，正在迎来一场革命性的突破。近日，中国科学家在《科学》杂志上发表了一项重要研究成果，他们通过借鉴金属的位错机制，成功制备出一种兼具高强度和韧性的新型陶瓷材料，实现了陶瓷在室温下的拉伸延展。这一突破不仅颠覆了人们对陶瓷“易碎”特性的传统认知，更为航空航天、汽车制造、能源存储等多个领域的应用开辟了新的可能性。
陶瓷制品 （图片来源：veer图库）
陶瓷的组成与特性
陶瓷是指利用黏土、石英和长石等天然矿物作为原料，并且按照不同比例混合，最终经过成型、干燥、烧制等工艺过程制备的材料。
黏土是陶瓷生产中最基本也是最重要的原料之一。它具有良好的可塑性，能够在外力作用下变形并保持形状，是陶瓷成型的基础。黏土主要由硅酸盐矿物组成，含有一定量的氧化铝、氧化铁和少量的碱金属氧化物。
石英是陶瓷原料中的重要组成部分，主要由二氧化硅组成。在高温下，石英能与其他原料发生反应，促进陶瓷的烧结过程，提高陶瓷的硬度和耐热性。
长石是陶瓷原料中的熔剂性原料，主要由氧化钾、氧化钠和氧化铝组成。这些氧化物在高温下变成流动的玻璃态，既能溶解陶瓷中的其他原料，又能填充陶瓷的空隙，促进陶瓷的烧结和致密化。
陶瓷成型过程 （图片来源：veer图库）
为什么陶瓷容易碎？
陶瓷的主要成分是非金属原子，依靠离子键和共价键结合在一起。这些化学键的强度很高，赋予了陶瓷高硬度、高强度和耐高温等特性。但是，陶瓷中离子或原子的排列较为紧密，且相互作用力大，当陶瓷受到外力冲击或压力时，很难通过材料内部的变形释放，而是会迅速集中在某一局部区域，形成受力集中点，导致原子间化学键的断裂，进而引发裂纹的产生。裂纹一旦形成，便会像多米诺骨牌一样在陶瓷内部迅速扩展，直至整个物体破碎。
破碎的盘子 （图片来源：veer图库）
向金属“借位”，提高陶瓷的韧性
2024年7月25日，中国科学家在《科学》（Science）杂志上发表了一项关于借用金属位错提高陶瓷延展性的研究成果，该技术将陶瓷在室温下的拉伸延展变为可能。
研究成果发表于《科学》杂志 （图片来源：《科学》杂志）
金属材料具有很强的可塑性，受外力时可以轻松地发生形变，这主要是因为金属材料在外力作用下会发生位错。位错是晶体中的一种常见缺陷，体现在晶体中的局部原子排列偏离了理想晶体结构的连续周期性。
位错虽然是一种缺陷，但是对晶体的物理性质，特别是力学性质有重要影响。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，研究者利用金属钼（Mo）作为基底，通过高温烧结的方法，在其外延生长氧化镧（La2O3）陶瓷，制备了具有有序界面结构的借位错氧化镧陶瓷材料（DB La2O3），该材料具有陶瓷高强度的同时还拥有金属材料的韧性，是陶瓷材料中的“全能手”。
A-C：借位错氧化镧陶瓷材料界面原子结构图；D-G. 借位错氧化镧陶瓷材料有序界面原子和电子结构的DFT计算结果.
（图片来源：参考文献1）
借位错氧化镧陶瓷材料（DB La2O3）的特殊之处在于金属钼和氧化镧陶瓷之间的有序界面。研究者通过理论计算证实金属钼和氧化镧之间具有较强的化学键，可以将两种物质紧密地结合在一起。
在受外力时，金属钼会发生位错，并且通过有序界面结构将位错传递至氧化镧陶瓷，这种方式不仅可以承受由位错引起的应力，还可以缓解位错在界面处积累而导致的应力集中。极大地提高了氧化镧陶瓷材料的可塑性。
理论计算结果表明，借位错氧化镧陶瓷材料中金属位错穿过金属-陶瓷有序界面的能量仅为2288.5兆焦每平方米，与金属内部位错传输所需的能量相当（2543.9兆焦每平方米），成功地实现了金属位错在陶瓷材料内部的传输。
实验结果表明，借位错氧化镧陶瓷材料在室温下拉伸变形量为35%时，内部的位错密度可达3.12×1015每平方米，与金属钼的位错密度相当（3.85×1015每平方米）。正是由于借位错氧化镧陶瓷内部高的位错密度，其拉伸形变量可达39.9%，强度约为2.3GPa，颠覆了陶瓷在室温条件下难以拉伸的传统认知。
- 陶瓷在拉伸形变过程中的应力-应变曲线；B. 借位错氧化镧陶瓷材料在不同拉伸形变下的图片；C. 普通氧化镧陶瓷材料在不同拉伸形变下的图片.
（图片来源：参考文献1）
提高陶瓷的韧性可以解决哪些问题？
航空航天：陶瓷材料因其高硬度、高强度和耐高温性能而受到青睐。然而，其脆性限制了其应用范围。提高陶瓷的拉伸韧性后，可以将其用于制造更复杂的部件，如发动机喷嘴、热防护系统等，以提高整体性能和可靠性。
汽车制造：陶瓷材料可用于制造刹车系统、排气系统等部件。提高陶瓷的拉伸韧性可以使其更好地承受刹车时的冲击力，延长使用寿命并提高安全性。
刹车系统 （图片来源：veer图库）
能源存储：陶瓷材料可用于制造固态电池等新型储能设备。提高陶瓷的拉伸韧性可以改善电池的结构稳定性和循环性能，提高能量密度和安全性。
电子与半导体：在电子与半导体行业，陶瓷材料常用于制造封装材料、基板等。提高陶瓷的拉伸韧性可以改善封装结构的可靠性，减少因热应力或机械应力导致的失效问题。
电子元件 （图片来源：veer图库）
向金属“借位错”提高陶瓷韧性的研究不仅是材料科学领域的一次重大突破，更是人类探索未知、挑战不可能的写照。我们期待这一领域能够涌现出更多令人瞩目的成果，让陶瓷材料在更多领域发光发热。
参考文献：
Dong L R, Zhang J, Li Y Z. et al. Borrowed dislocations for ductility in ceramics[J]. Science, 2024.
Mo Y, Szlufarska I. Simultaneous enhancement of toughness, ductility, and strength of nanocrystalline ceramics at high strain-rates[J]. Applied Physics Letters, 2007.
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.
倪海涛,张喜燕,朱玉涛.纳米结构金属位错的研究进展[J].材料导报, 2010.