科学新突破！“玻璃心”陶瓷能在室温下拉伸延展！

出品：科普中国

作者：石畅（物理化学博士）

监制：中国科普博览

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陶瓷作为一种古老而又充满魅力的材料，是人类文明史上重要的发明之一。它既是无机非金属材料，又是传统工艺美术品，在我们生活中随处可见，从古代帝王御用的精美瓷器，到现代餐桌上的餐具，陶瓷以其温润的触感、华丽的外表，装点着生活中的每一个角落。

此外，陶瓷具有耐高温、耐腐蚀和硬度高等特性，逐渐成为电池、航空航天等高科技领域不可或缺的材料。

陶瓷制品

（图片来源：veer图库）

陶瓷由哪些成分组成？

陶瓷是指利用黏土、石英和长石等天然矿物作为原料，并且按照不同比例混合，最终经过成型、干燥、烧制等工艺过程制备的材料。

黏土是陶瓷生产中最基本也是最重要的原料之一。它具有良好的可塑性，能够在外力作用下变形并保持形状，是陶瓷成型的基础。黏土主要由硅酸盐矿物组成，含有一定量的氧化铝、氧化铁和少量的碱金属氧化物。

石英是陶瓷原料中的重要组成部分，主要由二氧化硅组成。在高温下，石英能与其他原料发生反应，促进陶瓷的烧结过程，提高陶瓷的硬度和耐热性。

长石是陶瓷原料中的熔剂性原料，主要由氧化钾、氧化钠和氧化铝组成。这些氧化物在高温下变成流动的玻璃态，既能溶解陶瓷中的其他原料，又能填充陶瓷的空隙，促进陶瓷的烧结和致密化。

陶瓷成型过程

（图片来源：veer图库）

陶瓷为什么容易碎？

我们在生活中搬运或放置陶瓷制品时都格外地小心，稍不注意就会使其破裂或摔碎。那么陶瓷为什么如此“玻璃心”呢？

首先，我们要从陶瓷的内部结构说起。陶瓷主要是由非金属原子组成，依靠离子键和共价键结合在一起。这些化学键的强度很高，赋予了陶瓷高硬度、高强度和耐高温等特性。

破碎的盘子

（图片来源：veer图库）

但是陶瓷中离子或原子的排列较为紧密，且相互作用力大，当陶瓷受到外力冲击或压力时，很难通过材料内部的变形释放，而是会迅速集中在某一局部区域，形成受力集中点，导致原子间化学键的断裂，进而引发裂纹的产生。裂纹一旦形成，便会像多米诺骨牌一样在陶瓷内部迅速扩展，直至整个物体破碎。

向金属“借位”，提高陶瓷的韧性

2024年7月25日，中国科学家在《科学》（Science）杂志上发表了一项关于借用金属位错提高陶瓷延展性的研究成果，该技术将陶瓷在室温下的拉伸延展变为可能。

研究成果发表于《科学》杂志

（图片来源：《科学》杂志）

金属材料具有很强的可塑性，受外力时可以轻松地发生形变，这主要是因为金属材料在外力作用下会发生位错。位错是晶体中的一种常见缺陷，体现在晶体中的局部原子排列偏离了理想晶体结构的连续周期性。

位错虽然是一种缺陷，但是对晶体的物理性质，特别是力学性质有重要影响。它的存在可以促进晶体的塑性变形，提高材料的可塑性。

基于此，研究者利用金属钼（Mo）作为基底，通过高温烧结的方法，在其外延生长氧化镧陶瓷，制备了具有有序界面结构的借位错氧化镧陶瓷材料，该材料具有陶瓷高强度的同时还拥有金属材料的韧性，是陶瓷材料中的“全能手”。

A-C：借位错氧化镧陶瓷材料界面原子结构图；D-G. 借位错氧化镧陶瓷材料有序界面原子和电子结构的DFT计算结果

（图片来源：参考文献1）

借位错氧化镧陶瓷材料的特殊之处在于金属钼和氧化镧陶瓷之间的有序界面。研究者通过理论计算证实金属钼和氧化镧之间具有较强的化学键，可以将两种物质紧密地结合在一起。

在受外力时，金属钼会发生位错，并且通过有序界面结构将位错传递至氧化镧陶瓷，这种方式不仅可以承受由位错引起的应力，还可以缓解位错在界面处积累而导致的应力集中。极大地提高了氧化镧陶瓷材料的可塑性。

理论计算结果表明，借位错氧化镧陶瓷材料中金属位错穿过金属-陶瓷有序界面的能量仅为2288.5兆焦每平方米，与金属内部位错传输所需的能量相当（2543.9兆焦每平方米），成功地实现了金属位错在陶瓷材料内部的传输。

实验结果表明，借位错氧化镧陶瓷材料在室温下拉伸变形量为35%时，内部的位错密度可达3.12×1015每平方米，与金属钼的位错密度相当（3.85×1015每平方米）。正是由于借位错氧化镧陶瓷内部高的位错密度，其拉伸形变量可达39.9%，强度约为2.3GPa，颠覆了陶瓷在室温条件下难以拉伸的传统认知。

陶瓷在拉伸形变过程中的应力-应变曲线；B. 借位错氧化镧陶瓷材料在不同拉伸形变下的图片；C. 普通氧化镧陶瓷材料在不同拉伸形变下的图片

（图片来源：参考文献1）

提高陶瓷的韧性可以解决哪些问题？

航空航天：陶瓷材料因其高硬度、高强度和耐高温性能而受到青睐。然而，其脆性限制了其应用范围。提高陶瓷的拉伸韧性后，可以将其用于制造更复杂的部件，如发动机喷嘴、热防护系统等，以提高整体性能和可靠性。

汽车制造：陶瓷材料可用于制造刹车系统、排气系统等部件。提高陶瓷的拉伸韧性可以使其更好地承受刹车时的冲击力，延长使用寿命并提高安全性。

刹车系统

（图片来源：veer图库）

能源存储：陶瓷材料可用于制造固态电池等新型储能设备。提高陶瓷的拉伸韧性可以改善电池的结构稳定性和循环性能，提高能量密度和安全性。

电子与半导体：在电子与半导体行业，陶瓷材料常用于制造封装材料、基板等。提高陶瓷的拉伸韧性可以改善封装结构的可靠性，减少因热应力或机械应力导致的失效问题。

电子元件

（图片来源：veer图库）

向金属“借位错”提高陶瓷韧性的研究不仅是材料科学领域的一次重大突破，更是人类探索未知、挑战不可能的写照。我们期待这一领域能够涌现出更多令人瞩目的成果，让陶瓷材料在更多领域发光发热。

参考文献：

1.Dong L R, Zhang J, Li Y Z. et al. Borrowed dislocations for ductility in ceramics[J]. Science, 2024.

2.Mo Y, Szlufarska I. Simultaneous enhancement of toughness, ductility, and strength of nanocrystalline ceramics at high strain-rates[J]. Applied Physics Letters, 2007.

3.王昕,谭训彦,尹衍升,等.纳米复合陶瓷增韧机理分析[J].陶瓷学报, 2000.

4.倪海涛,张喜燕,朱玉涛.纳米结构金属位错的研究进展[J].材料导报, 2010.