清华大学&NSFC陈克新Science：陶瓷？塑料？塑性陶瓷！

【研究背景】

自1857年首次报道合成方法以来，得益于共价键合作用，氮化硅（Si₃N₄）陶瓷具有优异的机械、化学和物理性能，如耐高温、优异的硬度、优异的耐磨性和耐腐蚀性、相对较高的导热性和电绝缘性。这些特性使陶瓷适用于电子封装中的高温结构材料、切削工具、轴承和基板等应用。然而，陶瓷往往是易碎的，因此即使是微小的裂纹也可能导致灾难性的失效，而不会出现明显的塑性变形，严重限制了陶瓷的适用性。尽管通过将微结构与细长晶粒互锁或设计层压结构来增韧共价键合陶瓷已经付出了大量努力，共价键合的晶体可变形陶瓷由于共价键的固有的强和方向性特征尚未实现。因此，实现共价键合结晶陶瓷的塑性变形能力一直是一项长期而关键的挑战。

【成果简介】

近日，国家自然科学基金委员会工程与材料科学部无机非金属材料学科主任、清华大学陈克新教授团队提出了一种设计可形变共价键合氮化硅（Si₃N₄）陶瓷的方法，该陶瓷具有相干界面的双相结构。在通过共格界面的键切换，有助于应力诱导相变，并最终产生塑性变形能力。该论文以题为“Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces”发表在知名期刊Science上，论文第一单位为清华大学。

【图文导读】

图一、共格界面的双相α/β-Si₃N₄陶瓷的显微结构

图二、具有不同比例相干界面的多晶Si₃N₄纳米柱的力学行为

图三、Si₃N₄样品在高压压缩过程中的相含量变化

图四、原位TEM揭示代表性的β→α相变

图五、密度泛函理论计算证明β→α相变

【结论展望】

研究表明，键切换是金属位错运动和相变的先决条件，也可以通过设计相干界面在共价键合陶瓷中实现。然而，不能排除导致α/β-Si₃N₄应变和强度增加的其他因素，需要更好地阐明β→α相变和应力应变行为。纳米柱样品压缩产生的应变和强度的绝对值通常与块状样品的绝对值不同，需要更好的制造方法来获得具有双相大结构和相干界面的块状可变形Si₃N₄陶瓷。在其他共价陶瓷中也发现了多态性，这使得可以定制具有相干界面的双相结构，特别是在那些具有相关晶体结构和原子距离（例如碳化硅的立方相和六方相）的陶瓷中。从这个意义上说，预期目前工作的方法可以扩展到开发更多可变形陶瓷。

文献链接：Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces( Science 2022, 378, 371-376)