東京大學(xué)發(fā)現(xiàn)將易碎陶瓷組合后的無破損可變形現(xiàn)象，為開發(fā)強(qiáng)韌陶瓷材料提供新方向

陶瓷是非金屬無機(jī)材料的統(tǒng)稱，在硬度、耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性等方面性能優(yōu)異，具有獨(dú)特的介電特性。從日常生活中的陶瓷器和玻璃之類的器皿，到耐火材料和切削工具之類的工業(yè)部件，再到電子元件、半導(dǎo)體材料以及制造設(shè)備等高科技工業(yè)領(lǐng)域，陶瓷材料被廣泛應(yīng)用。近年來，在航空航天領(lǐng)域等嚴(yán)酷環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域，陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料的需求進(jìn)一步增加。然而，由于陶瓷易碎，作為材料的可靠性較低，其應(yīng)用范圍與金屬相比仍然有限。

東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科的吉田英弘教授、增田纮士講師、青木勇太博士生、東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的栃木榮太副教授等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，通過構(gòu)建由高強(qiáng)度脆性材料的氧化鋁（Al₂O₃）陶瓷和釓-鋁鈣鈦礦（GdAlO₃、GAP）陶瓷形成的精密復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)材料會(huì)產(chǎn)生塑性變形能力并抑制脆性斷裂的現(xiàn)象。如果能夠激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而可從根本上提升陶瓷的塑性變形能力并抑制材料的斷裂，有望實(shí)現(xiàn)高可靠性陶瓷材料，大大拓寬陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果已發(fā)表在期刊《Nature Communications》上。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在陶瓷材料中設(shè)計(jì)異種材料之間的界面來激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，可能有助于從根本上提高陶瓷的塑性變形能力。在研究中，研究人員通過將Al₂O₃及氧化釓（Gd₂O₃）陶瓷組成的混合粉末熔化后快速冷卻凝固，使Al₂O₃晶體中形成排列著100納米左右粗細(xì)的微細(xì)GAP晶體桿狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出類似于“在蓮藕孔中塞滿味噌”形狀的共晶材料。

研究團(tuán)隊(duì)在室溫下對(duì)這種材料進(jìn)行了微柱壓縮試驗(yàn)，評(píng)估了微觀力學(xué)響應(yīng)，并與Al₂O₃和GAP的單晶材料進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單晶材料完全不發(fā)生塑性變形而出現(xiàn)斷裂，但Al₂O₃-GAP共晶材料則能夠在無斷裂的情況下，彎曲并發(fā)生塑性變形。此外，研究人員用透射電子顯微鏡對(duì)變形后的共晶材料進(jìn)行觀察，結(jié)果在Al?O?中觀察到了在室溫下本不應(yīng)該活躍的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。從通過設(shè)計(jì)異相界面來促進(jìn)材料中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，利用堅(jiān)硬易碎材料的組合實(shí)現(xiàn)塑性變形能力，制備堅(jiān)硬且不易破碎的材料的角度來看，這一發(fā)現(xiàn)是一項(xiàng)劃時(shí)代的成果。

未來，如果能夠進(jìn)一步闡明導(dǎo)致陶瓷塑性變形的位錯(cuò)的生成及運(yùn)動(dòng)機(jī)制，以及微細(xì)組織和材料的選擇對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響，就有望激發(fā)陶瓷中潛在的塑性變形能力，為打造作為兼具耐環(huán)境性和高可靠性的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料的陶瓷所需的新型材料設(shè)計(jì)提供新方向。