陶瓷作為一種古老而又充滿魅力的材料，是人類文明史上重要的發明之一。它既是無機非金屬材料，又是傳統工藝美術品，在我們生活中隨處可見，它以其溫潤的觸感、華麗的外表，裝點著生活中的每一個角落。
此外，陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕和硬度高等特性，逐漸成為電池、航空航天等高科技領域不可或缺的材料。
陶瓷由哪些成分組成？
陶瓷是指利用黏土、石英和長石等天然礦物作為原料，按照不同比例混合，最終經過成型、乾燥、燒製等工藝過程製備的材料。
黏土是陶瓷生產中最基本也是最重要的原料之一。它具有良好的可塑性，能夠在外力作用下變形並保持形狀，是陶瓷成型的基礎。黏土主要由矽酸鹽礦物組成，含有一定量的氧化鋁、氧化鐵和少量的鹼金屬氧化物。
石英是陶瓷原料中的重要組成部分，主要由二氧化矽組成。在高溫下，石英能與其他原料發生反應，促進陶瓷的燒結過程，提高陶瓷的硬度和耐熱性。
長石是陶瓷原料中的熔劑性原料，主要由氧化鉀、氧化鈉和氧化鋁組成。這些氧化物在高溫下變成流動的玻璃態，既能溶解陶瓷中的其他原料，又能填充陶瓷的空隙，促進陶瓷的燒結和緻密化。
陶瓷成型過程。圖片來源：圖蟲創意
陶瓷為什麼“玻璃心”？
生活中，我們在搬運或放置陶瓷製品時會格外小心，稍不注意就會摔碎，陶瓷為什麼如此易碎呢？
首先，我們要從陶瓷的內部結構說起。陶瓷主要由非金屬原子組成，依靠離子鍵和共價鍵結合在一起，這些化學鍵強度很高，賦予了陶瓷高硬度、高強度和耐高溫等特性。
破碎的陶器。圖片來源：圖蟲創意
但是，陶瓷中離子或原子的排列較為緊密，且相互作用力大，當陶瓷受到外力衝擊或壓力時，很難透過材料內部的變形釋放，而是會迅速集中在某一區域性區域，形成受力集中點，導致原子間化學鍵的斷裂，進而引發裂紋的產生。裂紋一旦形成，便會像多米諾骨牌一樣在陶瓷內部迅速擴充套件，直至整個物體破碎。
向金屬“借位”，提高陶瓷韌性
2024年7月25日，中國科學家在《科學》（Science）雜誌上發表了一項關於借用金屬位錯提高陶瓷延展性的研究成果，該技術將陶瓷在室溫下的拉伸延展變成可能。
研究成果發表於《科學》雜誌。圖片來源：《科學》（Science）雜誌
金屬材料具有很強的可塑性，受外力時可以輕鬆地發生形變，這主要因為金屬材料在外力作用下會發生位錯。位錯是晶體中的一種常見缺陷，體現在晶體中的區域性原子排列偏離了理想晶體結構的連續週期性。
位錯雖然是一種缺陷，但是對晶體的物理性質，特別是力學性質卻有著重要影響。它的存在可以促進晶體的塑性變形，提高材料的可塑性。
基於此，研究者利用金屬鉬（Mo）作為基底，透過高溫燒結的方法，在其外延生長氧化鑭（La2O3）陶瓷，製備了具有有序介面結構的借位錯氧化鑭陶瓷材料（DB La2O3），該材料具有陶瓷高強度的同時還擁有金屬材料的韌性，是陶瓷材料中的“全能手”。
A-C：借位錯氧化鑭陶瓷材料介面原子結構圖；D-G. 借位錯氧化鑭陶瓷材料有序介面原子和電子結構的DFT計算結果。圖片來源：參考文獻[1]
借位錯氧化鑭陶瓷材料的特殊之處在於金屬鉬和氧化鑭陶瓷之間的有序介面。研究者透過理論計算，證實了金屬鉬和氧化鑭之間具有較強的化學鍵，可以將兩種物質緊密地結合在一起。
在受外力時，金屬鉬會發生位錯，並且透過有序介面結構將位錯傳遞至氧化鑭陶瓷，這種方式不僅可以承受由位錯引起的應力，還可以緩解位錯在介面處積累而導致的應力集中，極大地提高了氧化鑭陶瓷材料的可塑性。
理論計算結果表明，借位錯氧化鑭陶瓷材料中金屬位錯穿過“金屬-陶瓷”有序介面的能量僅為2288.5MJ/m2，與金屬內部位錯傳輸所需能量相當，為2543.9MJ/m2，成功地實現了金屬位錯在陶瓷材料內部的傳輸。
實驗結果表明，借位錯氧化鑭陶瓷材料在室溫下拉伸變形量為35%時，內部的位錯密度可達3.12×1015每平方米，與金屬鉬的位錯密度相當，達3.85×1015每平方米，正是由於借位錯氧化鑭陶瓷內部高的位錯密度，其拉伸形變數可達39.9%，強度約為2.3GPa，顛覆了陶瓷在室溫條件下難以拉伸的傳統認知。
A. 陶瓷在拉伸形變過程中的應力-應變曲線；B. 借位錯氧化鑭陶瓷材料在不同拉伸形變下的圖片；C. 普通氧化鑭陶瓷材料在不同拉伸形變下的圖片。圖片來源：參考文獻[1]
提高陶瓷韌性可以
解決哪些問題？
1.航空航天
在航空航天行業，陶瓷材料因其高硬度、高強度和耐高溫性而受青睞。然而，其脆性卻限制了應用範圍。在提高陶瓷的拉伸韌性後，就可以將其用於製造更復雜的部件，如發動機噴嘴、熱防護系統等，以提高機械整體效能和可靠性。
2.汽車製造
在汽車製造行業，陶瓷材料可用於製造剎車系統、排氣系統等部件，提高陶瓷的拉伸韌性可以使其更好地承受剎車時的衝擊力，從而延長使用壽命，提高安全性。
3.能源儲存
在能源儲存行業，陶瓷材料可用於製造固態電池等新型儲能裝置，提高陶瓷的拉伸韌性可以改善電池的結構穩定效能和迴圈效能，從而提高能量密度和安全性。
4.電子與半導體
在電子與半導體行業，陶瓷材料常用於製造封裝材料、基板等。提高陶瓷的拉伸韌性可以改善封裝結構的可靠性，減少因熱應力或機械應力導致的失效問題。
結語
向金屬“借位錯”提高陶瓷韌性的研究，不僅是材料科學領域的一次重大突破，更是人類探索未知、挑戰“不可能”的現實寫照。我們期待對陶瓷材料的研究能夠湧現出更多令人矚目的成果，讓陶瓷材料在更多領域發光發熱。
參考文獻
[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,譚訓彥,尹衍升,等.奈米複合陶瓷增韌機理分析[J].陶瓷學報, 2000.
[4]倪海濤,張喜燕,朱玉濤.奈米結構金屬位錯的研究進展[J].材料導報, 2010.
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出品丨科普中國
作者丨石暢 物理化學博士
監製丨中國科普博覽
責編丨董娜娜
審校丨徐來 林林
