中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氮化硅是一百多年前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氮和硅的化合物，最早在德國(guó)合成，20世紀(jì)50年代才開始有應(yīng)用。氮化硅陶瓷作為一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，具有強(qiáng)度高、抗熱震穩(wěn)定性好(在空氣中加熱至1000℃以上，再急劇驟冷急劇加熱也不會(huì)碎裂)、高溫蠕變小、耐磨、優(yōu)良的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是目前綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，已被廣泛應(yīng)用于冶金、宇航、能源、機(jī)械、軍事技術(shù)、光學(xué)和玻璃工業(yè)等領(lǐng)域。

雖然氮化硅具有良好的性能，但是它也具有陶瓷的共性——脆性高。Si₃N₄是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，具有高的原子結(jié)合強(qiáng)度，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能的同時(shí)，由于共價(jià)鍵具有方向性和飽和性，由共價(jià)鍵組成的Si₃N₄陶瓷滑移系很少，通常在產(chǎn)生滑移前就發(fā)生斷裂，導(dǎo)致Si₃N₄陶瓷表現(xiàn)出明顯的脆性特點(diǎn)。歷來(lái)，相關(guān)研究者對(duì)氮化硅陶瓷的韌性展開了大量的研究，并總結(jié)出一些增韌手段，如顆粒彌散增韌、晶須或纖維增韌、相變?cè)鲰g和自增韌等。

既然強(qiáng)共價(jià)鍵是阻止Si₃N₄陶瓷滑移位錯(cuò)的“罪魁禍?zhǔn)住�，能不能以此為突破口展開對(duì)其可塑形變的研究呢？近日，清華大學(xué)傳來(lái)好消息，該校研究團(tuán)隊(duì)基于國(guó)家自然科學(xué)基金委陳克新研究員提出的原創(chuàng)性學(xué)術(shù)思想，在共價(jià)鍵氮化硅陶瓷材料中設(shè)計(jì)共格界面，通過(guò)“共價(jià)鍵斷裂-旋轉(zhuǎn)-再鍵合”方式來(lái)實(shí)現(xiàn)類似金屬中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得氮化硅陶瓷表現(xiàn)出前所未有的高達(dá)20%的室溫壓縮塑性形變，同時(shí)其壓縮強(qiáng)度提高至原來(lái)的2.3倍（~11GPa）。這種強(qiáng)度與塑性應(yīng)變的同時(shí)提升，在陶瓷材料中殊為少見。

具有不同比例共格界面的多晶Si₃N₄納米柱的力學(xué)行為

相關(guān)結(jié)果于10月28日發(fā)表在Science期刊上，標(biāo)題為Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces（基于共格界面鍵切換機(jī)制實(shí)現(xiàn)氮化硅陶瓷塑性變形）。該研究成果被Science選為Research Highlights，編輯以“逐步終結(jié)斷裂”為題予以亮點(diǎn)介紹。Science同期還發(fā)表了針對(duì)該研究成果的Perspective文章，文章指出，陶瓷如能實(shí)現(xiàn)塑性，將成為比目前性能最好的合金還要更輕、更強(qiáng)的材料，但陶瓷塑性非常罕見；該研究通過(guò)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新的相變機(jī)制，在氮化硅中實(shí)現(xiàn)了室溫塑性。這也為實(shí)現(xiàn)其他可變形陶瓷的夢(mèng)想提供了可行途徑。

該論文的唯一通訊作者為陳克新研究員，共同第一作者為清華大學(xué)的張杰、劉光華、崔巍，中科院物理所杜世萱研究員等為合作作者。清華大學(xué)材料學(xué)院為論文的第一完成單位。

信息來(lái)源：清華大學(xué)、兩江科技評(píng)論

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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