陶瓷是非金属无机材料的统称，在硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等方面性能优异，具有独特的介电特性。从日常生活中的陶瓷器和玻璃之类的器皿，到耐火材料和切削工具之类的工业部件，再到电子元件、半导体材料以及制造设备等高科技工业领域，陶瓷材料被广泛应用。近年来，在航空航天领域等严酷环境的应用领域，陶瓷作为结构材料的需求进一步增加。然而，由于陶瓷易碎，作为材料的可靠性较低，其应用范围与金属相比仍然有限。
东京大学研究生院工学系研究科的吉田英弘教授、增田纮士讲师、青木勇太博士生、东京大学生产技术研究所的栃木荣太副教授等人组成的研究团队，通过构建由高强度脆性材料的氧化铝（Al₂O₃）陶瓷和钆-铝钙钛矿（GdAlO₃、GAP）陶瓷形成的精密复合结构，发现材料会产生塑性变形能力并抑制脆性断裂的现象。如果能够激活位错运动，从而可从根本上提升陶瓷的塑性变形能力并抑制材料的断裂，有望实现高可靠性陶瓷材料，大大拓宽陶瓷作为结构材料的应用前景。相关研究成果已发表在期刊《Nature Communications》上。
图1 Al₂O₃、GAP和Al₂O₃-GAP共晶复合材料在室温条件下压缩实验前后的扫描电镜图示。其中Al₂O₃和GAP微型圆柱表现出陶瓷材料常见的脆性断裂性质，但Al₂O₃-GAP共晶复合材料所构成的微型圆柱表现出曲率逐渐增大的无破损塑性变形（供图：东京大学）
研究团队认为，在陶瓷材料中设计异种材料之间的界面来激活位错运动，可能有助于从根本上提高陶瓷的塑性变形能力。在研究中，研究人员通过将Al₂O₃及氧化钆（Gd₂O₃）陶瓷组成的混合粉末熔化后快速冷却凝固，使Al₂O₃晶体中形成排列着100纳米左右粗细的微细GAP晶体杆状结构，构建出类似于“在莲藕孔中塞满味噌”形状的共晶材料。
研究团队在室温下对这种材料进行了微柱压缩试验，评估了微观力学响应，并与Al₂O₃和GAP的单晶材料进行了比较。结果发现，单晶材料完全不发生塑性变形而出现断裂，但Al₂O₃-GAP共晶材料则能够在无断裂的情况下，弯曲并发生塑性变形。此外，研究人员用透射电子显微镜对变形后的共晶材料进行观察，结果在Al₂O₃中观察到了在室温下本不应该活跃的位错运动。从通过设计异相界面来促进材料中的位错运动，利用坚硬易碎材料的组合实现塑性变形能力，制备坚硬且不易破碎的材料的角度来看，这一发现是一项划时代的成果。
未来，如果能够进一步阐明导致陶瓷塑性变形的位错的生成及运动机制，以及微细组织和材料的选择对力学响应的影响，就有望激发陶瓷中潜在的塑性变形能力，为打造作为兼具耐环境性和高可靠性的优良结构材料的陶瓷所需的新型材料设计提供新方向。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Overcoming the intrinsic brittleness of high-strength Al2O3–GdAlO3 ceramics through refined eutectic microstructure
DOI：10.1038/s41467-024-53026-6
