科學(xué)新突破！“玻璃心”陶瓷能在室溫下拉伸延展！

出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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陶瓷作為一種古老而又充滿魅力的材料，是人類文明史上重要的發(fā)明之一。它既是無機(jī)非金屬材料，又是傳統(tǒng)工藝美術(shù)品，在我們生活中隨處可見，從古代帝王御用的精美瓷器，到現(xiàn)代餐桌上的餐具，陶瓷以其溫潤的觸感、華麗的外表，裝點(diǎn)著生活中的每一個(gè)角落。

此外，陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕和硬度高等特性，逐漸成為電池、航空航天等高科技領(lǐng)域不可或缺的材料。

陶瓷制品

（圖片來源：veer圖庫）

陶瓷由哪些成分組成？

陶瓷是指利用黏土、石英和長(zhǎng)石等天然礦物作為原料，并且按照不同比例混合，最終經(jīng)過成型、干燥、燒制等工藝過程制備的材料。

黏土是陶瓷生產(chǎn)中最基本也是最重要的原料之一。它具有良好的可塑性，能夠在外力作用下變形并保持形狀，是陶瓷成型的基礎(chǔ)。黏土主要由硅酸鹽礦物組成，含有一定量的氧化鋁、氧化鐵和少量的堿金屬氧化物。

石英是陶瓷原料中的重要組成部分，主要由二氧化硅組成。在高溫下，石英能與其他原料發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)陶瓷的燒結(jié)過程，提高陶瓷的硬度和耐熱性。

長(zhǎng)石是陶瓷原料中的熔劑性原料，主要由氧化鉀、氧化鈉和氧化鋁組成。這些氧化物在高溫下變成流動(dòng)的玻璃態(tài)，既能溶解陶瓷中的其他原料，又能填充陶瓷的空隙，促進(jìn)陶瓷的燒結(jié)和致密化。

陶瓷成型過程

（圖片來源：veer圖庫）

陶瓷為什么容易碎？

我們?cè)谏钪邪徇\(yùn)或放置陶瓷制品時(shí)都格外地小心，稍不注意就會(huì)使其破裂或摔碎。那么陶瓷為什么如此“玻璃心”呢？

首先，我們要從陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說起。陶瓷主要是由非金屬原子組成，依靠離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合在一起。這些化學(xué)鍵的強(qiáng)度很高，賦予了陶瓷高硬度、高強(qiáng)度和耐高溫等特性。

破碎的盤子

（圖片來源：veer圖庫）

但是陶瓷中離子或原子的排列較為緊密，且相互作用力大，當(dāng)陶瓷受到外力沖擊或壓力時(shí)，很難通過材料內(nèi)部的變形釋放，而是會(huì)迅速集中在某一局部區(qū)域，形成受力集中點(diǎn)，導(dǎo)致原子間化學(xué)鍵的斷裂，進(jìn)而引發(fā)裂紋的產(chǎn)生。裂紋一旦形成，便會(huì)像多米諾骨牌一樣在陶瓷內(nèi)部迅速擴(kuò)展，直至整個(gè)物體破碎。

向金屬“借位”，提高陶瓷的韌性

2024年7月25日，中國科學(xué)家在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于借用金屬位錯(cuò)提高陶瓷延展性的研究成果，該技術(shù)將陶瓷在室溫下的拉伸延展變?yōu)榭赡堋?/p>

研究成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志

（圖片來源：《科學(xué)》雜志）

金屬材料具有很強(qiáng)的可塑性，受外力時(shí)可以輕松地發(fā)生形變，這主要是因?yàn)榻饘俨牧显谕饬ψ饔孟聲?huì)發(fā)生位錯(cuò)。位錯(cuò)是晶體中的一種常見缺陷，體現(xiàn)在晶體中的局部原子排列偏離了理想晶體結(jié)構(gòu)的連續(xù)周期性。

位錯(cuò)雖然是一種缺陷，但是對(duì)晶體的物理性質(zhì)，特別是力學(xué)性質(zhì)有重要影響。它的存在可以促進(jìn)晶體的塑性變形，提高材料的可塑性。

基于此，研究者利用金屬鉬（Mo）作為基底，通過高溫?zé)Y(jié)的方法，在其外延生長(zhǎng)氧化鑭陶瓷，制備了具有有序界面結(jié)構(gòu)的借位錯(cuò)氧化鑭陶瓷材料，該材料具有陶瓷高強(qiáng)度的同時(shí)還擁有金屬材料的韌性，是陶瓷材料中的“全能手”。

A-C：借位錯(cuò)氧化鑭陶瓷材料界面原子結(jié)構(gòu)圖；D-G. 借位錯(cuò)氧化鑭陶瓷材料有序界面原子和電子結(jié)構(gòu)的DFT計(jì)算結(jié)果

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

借位錯(cuò)氧化鑭陶瓷材料的特殊之處在于金屬鉬和氧化鑭陶瓷之間的有序界面。研究者通過理論計(jì)算證實(shí)金屬鉬和氧化鑭之間具有較強(qiáng)的化學(xué)鍵，可以將兩種物質(zhì)緊密地結(jié)合在一起。

在受外力時(shí)，金屬鉬會(huì)發(fā)生位錯(cuò)，并且通過有序界面結(jié)構(gòu)將位錯(cuò)傳遞至氧化鑭陶瓷，這種方式不僅可以承受由位錯(cuò)引起的應(yīng)力，還可以緩解位錯(cuò)在界面處積累而導(dǎo)致的應(yīng)力集中。極大地提高了氧化鑭陶瓷材料的可塑性。

理論計(jì)算結(jié)果表明，借位錯(cuò)氧化鑭陶瓷材料中金屬位錯(cuò)穿過金屬-陶瓷有序界面的能量?jī)H為2288.5兆焦每平方米，與金屬內(nèi)部位錯(cuò)傳輸所需的能量相當(dāng)（2543.9兆焦每平方米），成功地實(shí)現(xiàn)了金屬位錯(cuò)在陶瓷材料內(nèi)部的傳輸。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，借位錯(cuò)氧化鑭陶瓷材料在室溫下拉伸變形量為35%時(shí)，內(nèi)部的位錯(cuò)密度可達(dá)3.12×1015每平方米，與金屬鉬的位錯(cuò)密度相當(dāng)（3.85×1015每平方米）。正是由于借位錯(cuò)氧化鑭陶瓷內(nèi)部高的位錯(cuò)密度，其拉伸形變量可達(dá)39.9%，強(qiáng)度約為2.3GPa，顛覆了陶瓷在室溫條件下難以拉伸的傳統(tǒng)認(rèn)知。

陶瓷在拉伸形變過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；B. 借位錯(cuò)氧化鑭陶瓷材料在不同拉伸形變下的圖片；C. 普通氧化鑭陶瓷材料在不同拉伸形變下的圖片

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

提高陶瓷的韌性可以解決哪些問題？

航空航天：陶瓷材料因其高硬度、高強(qiáng)度和耐高溫性能而受到青睞。然而，其脆性限制了其應(yīng)用范圍。提高陶瓷的拉伸韌性后，可以將其用于制造更復(fù)雜的部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、熱防護(hù)系統(tǒng)等，以提高整體性能和可靠性。

汽車制造：陶瓷材料可用于制造剎車系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等部件。提高陶瓷的拉伸韌性可以使其更好地承受剎車時(shí)的沖擊力，延長(zhǎng)使用壽命并提高安全性。

剎車系統(tǒng)

（圖片來源：veer圖庫）

能源存儲(chǔ)：陶瓷材料可用于制造固態(tài)電池等新型儲(chǔ)能設(shè)備。提高陶瓷的拉伸韌性可以改善電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)性能，提高能量密度和安全性。

電子與半導(dǎo)體：在電子與半導(dǎo)體行業(yè)，陶瓷材料常用于制造封裝材料、基板等。提高陶瓷的拉伸韌性可以改善封裝結(jié)構(gòu)的可靠性，減少因熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的失效問題。

電子元件

（圖片來源：veer圖庫）

向金屬“借位錯(cuò)”提高陶瓷韌性的研究不僅是材料科學(xué)領(lǐng)域的一次重大突破，更是人類探索未知、挑戰(zhàn)不可能的寫照。我們期待這一領(lǐng)域能夠涌現(xiàn)出更多令人矚目的成果，讓陶瓷材料在更多領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

參考文獻(xiàn)：

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4.倪海濤,張喜燕,朱玉濤.納米結(jié)構(gòu)金屬位錯(cuò)的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào), 2010.