薛其坤1,2
(1.南方科技大学 2.清华大学物理系)
陶瓷是我国的重大发明,是中华文明的重要载体.先进陶瓷材料因具有耐高温、耐腐蚀、强度高、密度低等优异性能,被广泛用于航空航天、能源、医疗等领域.例如,在航空发动机领域,相对于金属发动机,陶瓷发动机具有重量轻、工作温度高、热机转化效率高的特点,有望大幅提升发动机的性能,因此,陶瓷发动机是科学家几个世纪以来的梦想.自20世纪60年代末开始,陶瓷发动机引起美、日、德、法等世界强国的重视,各国纷纷加大投入,启动各类研究计划,掀起了全球的研究热潮.然而,由于未能攻克陶瓷材料脆性这一瓶颈问题,陶瓷发动机的研究仍以失败而告终.最近,清华大学张杰、刘光华、崔巍及其合作者,基于国家自然科学基金委陈克新研究员提出的原创性学术思想,通过巧妙的结构设计实现了氮化硅陶瓷中的“共价键断裂-旋转-再键合”,起到了类似金属中位错运动的效果,使得氮化硅陶瓷在室温下可以发生明显的塑性变形,该研究成果发表于Science [1] ,同时被Nature(https://www.nature.com/articles/d41586-022-03432-x)和Science选为研究亮点(Research Highlights),并被Royal Society of Chemistry等众多知名学术媒体报道点评 [2] .
研究团队在氮化硅陶瓷中设计了一种共格界面结构(图1(a)),区别于以往通过金属氧化物助剂黏连的方式,界面上原子匹配度更高,原子间通过共价键结合.这种特殊结构的氮化硅陶瓷表现出前所未有的高达20%的室温压缩塑性形变,压缩强度提高至原来的2.3倍(～11 GPa).强度与塑性应变的同时提升,在陶瓷材料中殊为少见(图1(b)).
通过分别观察材料在静态和动态载荷下的变化,揭示了材料在外力作用下所产生的结构演变.结果显示,具有共格结构的氮化硅陶瓷在两种载荷的作用下,均发生了β→α的相变,这是一种在室温下应力诱导的无扩散型固态相变,这打破了过去几十年氮化硅中仅能通过热驱动发生α→β相变的固有认知 [3,4] .结果表明这种新型β→α相变只能在共格结构的氮化硅中发生,相比之下,不具有共格结构的氮化硅则无法发生β→α相变,这说明相变的发生与氮化硅陶瓷中所设计的共格结构密不可分.进一步基于原位观察,结果也表明在外力作用下共格界面向β一侧迁移(图1(c)),从而证实共格结构是发生这种新型β→α相变的关键所在.
氮化硅所展现出的优异性能,本质上正是由于共格结构诱发的新型β→α相变,使氮化硅陶瓷能够在室温下发生像金属一样的键转换.在室温下让陶瓷中发生如此频繁的键转换其实是非常困难的,尤其是在共价键陶瓷中,极强的键合强度和极高的方向性使共价键无法像金属键一样自由转换 [5,6] .因此在原子尺度上,这一过程相比金属也更为复杂,界面滑移以及随后[NSi3]单元的旋转和界面上的结构畸变共同导致了相转变(图1(d)).得益于该结构对能量的调制让β→α相变的热力学判据能够成立,同时这一结构也有利于断键后原子间的再结合,这促进了键的转换,避免引发断键过程中总是出现的裂纹,陶瓷的塑性变形能力也正是来源于键转换过程中连续原子重排的积累.
该工作解决的陶瓷脆性问题,是一个从陶瓷诞生以来就一直困扰着国内外学者数百年的问题.这种通过设计共格结构诱发新型β→α相变,促使陶瓷中“共价键断裂-旋转-再键合”不断发生,从而实现类似金属中位错运动的新思想,会给人们带来全新的认知,也将为解决陶瓷脆性问题开辟一条全新的思路,在陶瓷材料发展历史上具有里程碑意义.
图1 (网络版彩色)氮化硅陶瓷通过共格界面处的键转换实现塑性变形[1].(a)共格界面的原子模型;(b)不同共格界面含量样品的力学性能曲线;(c)压缩过程中共格界面移动示意图;(d)β→α相变过程中的原子运动
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