撰稿|由课题组供稿
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、密度低等优异性能而备受关注，并成为许多高新技术领域发展的关键材料。自上世纪六十年代末开始，陶瓷发动机就因具有重量轻、工作温度高、热机转化效率高的特点，引起了美、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，经过三十多年努力，陶瓷发动机的研究未能取得很大成功。究其原因，主要在于未能解决陶瓷的脆性问题，从而导致陶瓷材料的可靠性低。因此，陶瓷增韧和陶瓷塑性研究，一直是陶瓷材料研究的核心内容和重要前沿，同时也是难度最大、最具挑战性的课题之一。
近日，清华大学研究团队，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，在共价键氮化硅陶瓷材料中设计共格界面，通过“共价键断裂-旋转-再键合”方式来实现类似金属中的位错运动，使得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，同时其压缩强度提高至原来的2.3倍（~11GPa）。
研究团队在氮化硅陶瓷中设计了一种共格界面结构。通过旋进电子衍射（PED）、高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、积分差分相位衬度技术（iDPC-STEM）精细表征了共格界面在氮化硅陶瓷中的分布、界面原子结构、晶体取向关系（图1）。
图1 具有α/β共格界面的Si3N4陶瓷的微观结构
原位力学测试表明，与不含有共格界面结构的普通氮化硅陶瓷相比，具有α/β共格界面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（~11GPa）。这种强度与塑性应变的同时提升，在陶瓷材料中殊为少见（图2）。
图2 具有不同比例共格界面的多晶Si3N4纳米柱的力学行为
为了研究在外力作用下的结构演变，研究团队分别观察了材料在静态和动态载荷下的变化。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，均能够发生β→α的相变，这种室温下压力诱导的β→α相变是首次发现。相比之下，不具有共格结构的氮化硅则无法发生β→α相变（图3）。研究团队使用原位透射电子显微镜揭示了这种α/β共格界面在应力诱导的β→α相变中的作用（图4）。
图3 在高压压缩过程中，Si3N4样品中的相含量变化
图4 原位TEM展示的一个代表性β→α相变
研究团队通过第一性原理计算在原子层级揭示了β→α相变机制，原子尺度的滑动以及随后[NSi3]单元旋转和界面上的结构畸变导致了相变的发生（图5）。α和β之间的共格界面有利于断键后原子的再结合，这促进了键的转换，而不会引发传统断键过程中总是出现的裂纹。而由键转换产生的连续原子重排的积累导致了应力诱导β→α相变和随后的塑性变形能力。
图5 计算结果展示了β→α的相变路径
相关结果于10月28日发表在Science期刊上，标题为Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces（基于共格界面键切换机制实现氮化硅陶瓷塑性变形）。该研究成果被Science选为Research Highlights，编辑以“逐步终结断裂”（Phasing out fracture）为题予以亮点介绍。Science同期还发表了针对该研究成果的Perspective文章，文章指出，陶瓷如能实现塑性，将成为比目前性能最好的合金还要更轻、更强的材料，但陶瓷塑性非常罕见；该研究通过独特的结构设计和新的相变机制，在氮化硅（综合性能最优异的工程陶瓷之一）中实现了室温塑性。这也为实现其他可变形陶瓷的梦想提供了可行途径。该研究成果一经发表，立即引起广泛关注，phys.org、nanowerk等知名学术网站纷纷进行了报道评述。
该论文的唯一通讯作者为陈克新研究员，共同第一作者为清华大学的张杰、刘光华、崔巍，中科院物理所杜世萱研究员等为合作作者。清华大学材料学院为论文的第一完成单位。
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7490
