清華大學(xué)研究團隊首次實現(xiàn)共價鍵氮化硅陶瓷室溫塑性變形

陶瓷是我國的重大發(fā)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(yōu)異性能而備受關(guān)注，并成為許多高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵材料。自上世紀六十年代末開始，陶瓷發(fā)動機就因具有重量輕、工作溫度高、熱機轉(zhuǎn)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(jīng)過數(shù)十年努力，陶瓷發(fā)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(dǎo)致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內(nèi)容和重要前沿，也是難度最大、最具挑戰(zhàn)性的課題之一。

近日，清華大學(xué)材料學(xué)院研究團隊通過在共價鍵氮化硅陶瓷材料中設(shè)計共格界面，創(chuàng)新性引入“共價鍵斷裂-旋轉(zhuǎn)-再鍵合”方式來實現(xiàn)類似金屬中的位錯運動，使得氮化硅陶瓷表現(xiàn)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）。

研究團隊在氮化硅陶瓷中設(shè)計了一種共格界面結(jié)構(gòu)。通過旋進電子衍射（PED）、高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）、積分差分相位襯度技術(shù)（iDPC-STEM）精細表征了共格界面在氮化硅陶瓷中的分布、界面原子結(jié)構(gòu)、晶體取向關(guān)系（圖1）。

原位力學(xué)測試表明，與不含有共格界面結(jié)構(gòu)的普通氮化硅陶瓷相比，具有α/β共格界面結(jié)構(gòu)的氮化硅陶瓷表現(xiàn)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(yīng)變的同時提升，在陶瓷材料中殊為少見（圖2）。

為了研究在外力作用下的結(jié)構(gòu)演變，研究團隊分別觀察了材料在靜態(tài)和動態(tài)載荷下的變化。結(jié)果顯示，具有共格結(jié)構(gòu)的氮化硅陶瓷在兩種載荷的作用下，均能夠發(fā)生β→α的相變，這種室溫下壓力誘導(dǎo)的β→α相變是首次發(fā)現(xiàn)。相比之下，不具有共格結(jié)構(gòu)的氮化硅則無法發(fā)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(yīng)力誘導(dǎo)的β→α相變中的作用（圖4）。

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隨后[NSi3]單元旋轉(zhuǎn)和界面上的結(jié)構(gòu)畸變導(dǎo)致了相變的發(fā)生（圖5）。α和β之間的共格界面有利于斷鍵后原子的再結(jié)合，這促進了鍵的轉(zhuǎn)換，而不會引發(fā)傳統(tǒng)斷鍵過程中總是出現(xiàn)的裂紋。而由鍵轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的連續(xù)原子重排的積累導(dǎo)致了應(yīng)力誘導(dǎo)β→α相變和隨后的塑性變形能力。

相關(guān)成果于10月28日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上，標題為“基于共格界面鍵切換機制實現(xiàn)氮化硅陶瓷塑性變形”（Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces）。該研究成果被《科學(xué)》期刊選為“研究亮點”（Research Highlights），編輯以“逐步終結(jié)斷裂”（Phasing out fracture）為題予以重點介紹?！犊茖W(xué)》期刊同期還發(fā)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(xiàn)塑性，將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(jié)構(gòu)設(shè)計和新的相變機制，在氮化硅（綜合性能最優(yōu)異的工程陶瓷之一）中實現(xiàn)了室溫塑性，這為最終實現(xiàn)可變形陶瓷的夢想提供了可行途徑。該研究成果一經(jīng)發(fā)表，立即引起廣泛關(guān)注，phys.org、nanowerk等知名學(xué)術(shù)網(wǎng)站紛紛進行了報道。

該論文的通訊作者為國家自然科學(xué)基金委員會陳克新研究員，共同第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院張杰博士、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。清華大學(xué)材料學(xué)院為論文的第一完成單位。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7490