陶瓷看成一种陈旧而又充满魔力的材料38ab，是东谈主类斯文史上要紧的发明之一。它既是无机非金属材料，又是传统工艺好意思术品，在咱们生涯中遍地可见，它以其温润的触感、丽都的外在，装点着生涯中的每一个旯旮。

此外，陶瓷具有耐高温、耐腐蚀和硬度高级特质，逐渐成为电板、航空航天等高技术限制不成或缺的材料。

陶瓷由哪些因素构成？

陶瓷是指应用黏土、石英和长石等自然矿物看成原料，按照不同比例混杂，最终经过成型、干燥、烧制等工艺经过制备的材料。

黏土是陶瓷坐蓐中最基本亦然最要紧的原料之一。它具有细致的可塑性，大致在外力作用下变形并保捏方式，是陶瓷成型的基础。黏土主要由硅酸盐矿物构成，含有一定量的氧化铝、氧化铁和一丝的碱金属氧化物。

石英是陶瓷原料中的要紧构成部分，主要由二氧化硅构成。在高温下，石英能与其他原料发生响应，促进陶瓷的烧结经过，擢升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、氧化钠和氧化铝构成。这些氧化物在高温下变成流动的玻璃态，既能融解陶瓷中的其他原料，又能填充陶瓷的闲隙，促进陶瓷的烧结和细致化。

陶瓷成型经过。图片开始：图虫创意

陶瓷为什么“玻璃心”？

生涯中，咱们在搬运或放弃陶瓷成品时会特别留神，稍不细心就会摔碎，陶瓷为什么如斯易碎呢？

最初，咱们要从陶瓷的里面结构提及。陶瓷主要由非金属原子构成，依靠离子键和共价键纠合在一齐，这些化学键强度很高，赋予了陶瓷高硬度、高强度和耐高温等特质。

落空的陶器。图片开始：图虫创意

然而，陶瓷中离子或原子的罗列较为紧密，且互相作用劲大，当陶瓷受到外力冲击或压力时，很难通过材料里面的变形开释，而是会赶快皆集在某一局部区域，酿成受力皆集点，导致原子间化学键的断裂，进而激励裂纹的产生。裂纹一朝酿成，便会像多米诺骨牌雷同在陶瓷里面赶快膨胀，直至统统物体落空。

向金属“借位”，擢升陶瓷韧性

2024年7月25日，中国科学家在《科学》（Science）杂志上发表了一项对于借用金属位错擢升陶瓷延展性的磋商效果，该本领将陶瓷在室温下的拉伸延展变成可能。

磋商效果发表于《科学》杂志。图片开始：《科学》（Science）杂志

金属材料具有很强的可塑性，受外力时不错摒弃地发生形变，这主要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过失，体现时晶体中的局部原子罗列偏离了理念念晶体结构的畅通周期性。

位错诚然是一种过失，然而对晶体的物感性质，非常是力学性质却有着要紧影响。它的存在不错促进晶体的塑性变形，擢升材料的可塑性。

基于此，磋商者应用金属钼（Mo）看成基底，通过高温烧结的要领，在其外延助长氧化镧（La2O3）陶瓷，制备了具有有序界面结构的借位错氧化镧陶瓷材料（DB La2O3），该材料具有陶瓷高强度的同期还领有金属材料的韧性，是陶瓷材料中的“全妙手”。

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盘算收尾。图片开始：参考文件[1]

借位错氧化镧陶瓷材料的罕见之处在于金属钼和氧化镧陶瓷之间的有序界面。磋商者通过表面盘算，说明了金属钼和氧化镧之间具有较强的化学键，不错将两种物资紧密地纠合在一齐。

在受外力时，金属钼会发生位错，而且通过有序界面结构将位错传递至氧化镧陶瓷，这种样式不仅不错承受由位错引起的应力，还不错缓解位错在界面处积聚而导致的应力皆集，极地面擢升了氧化镧陶瓷材料的可塑性。

表面盘算收尾标明，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2288.5MJ/m2，与金属里面位错传输所需能量相称，为2543.9MJ/m2，收效地罢了了金属位错在陶瓷材料里面的传输。

实验收尾标明，借位错氧化镧陶瓷材料在室温下拉伸变形量为35%时，里面的位错密度可达3.12×1015每平方米，与金属钼的位错密度相称，达3.85×1015每平方米，恰是由于借位错氧化镧陶瓷里面高的位错密度，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目下难以拉伸的传统领悟。

A. 陶瓷在拉伸形变经过中的应力-应变弧线；B. 借位错氧化镧陶瓷材料在不同拉伸形变下的图片；C. 过去氧化镧陶瓷材料在不同拉伸形变下的图片。图片开始：参考文件[1]

擢升陶瓷韧性不错

处置哪些问题？

1.航空航天

在航空航天行业，陶瓷材料因其高硬度、高强度和耐高温性而受醉心。关联词，其脆性却限度了应用领域。在擢升陶瓷的拉伸韧性后，就不错将其用于制造更复杂的部件，如发动机喷嘴、热驻扎系统等，以擢升机械合座性能和可靠性。

2.汽车制造

在汽车制造行业，陶瓷材料可用于制造刹车系统、排气系统等部件，擢升陶瓷的拉伸韧性不错使其更好地承受刹车时的冲击力，从而延伸使用寿命，擢升安全性。

3.动力储存

在动力储存行业，陶瓷材料可用于制造固态电板等新式储能缔造，擢升陶瓷的拉伸韧性不错改善电板的结构踏实性能和轮回性能，从而擢升能量密度和安全性。

4.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。擢升陶瓷的拉伸韧性不错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。

结语

向金属“借位错”擢升陶瓷韧性的磋商，不仅是材料科学限制的一次要紧壅塞，更是东谈主类探索未知、挑战“不成能”的实验写真。咱们期待对陶瓷材料的磋商大致流泄漏更多令东谈主瞩意见效果，让陶瓷材料在更多限制发光发烧。

参考文件

[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磋商推崇[J].材料导报， 2010.

磋商制作

出品丨科普中国

作家丨石畅 物理化学博士

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林