西安交大科研人员在陶瓷材料的增韧机制研究方面取得重要进展

陶瓷材料具有压电性、超导性和磁性等丰富的功能特性，成为现代科技不可或缺的关键材料之一。然而，陶瓷的室温脆性（低温更脆）问题导致陶瓷材料的可靠性低。因此，增韧一直是陶瓷材料研究的核心内容，也是最具挑战性的问题之一。

近日，西安交通大学物理学院方敏侠助理教授，前沿院/金属材料强度国家重点实验室纪元超副教授等在陶瓷材料中发现了一种室温到极低温的增韧新机制。在CaTiO3陶瓷中通过成分调控设计了独特的“再入型应变玻璃”转变（从高温马氏体相到低温应变玻璃的转变），并发现了该转变可实现从+50℃到-150℃的宽温域增韧：断裂韧性从+50℃的1.9 MPa持续增大到-150℃的4.8 MPa（图1），低温断裂韧性值接近商用氧化锆韧性陶瓷（PSZ）。原位微观组织结构和宏观性能分析表明，这种宽温域增韧效应起源于宽温域存在的再入型应变玻璃纳米马氏体畴，及其在外力作用下发生的长程化转变吸收了裂纹尖端的能量。该工作为广泛存在的脆性铁弹陶瓷、压电陶瓷和高温超导体等提供了新的增韧思路。


图1 室温到极低温的陶瓷增韧新机制：再入型应变玻璃（RSTG）

该成果是西安交通大学在国际上开创的应变玻璃（Strain Glass）新方向的一项最新成果，以“利用再入型应变玻璃实现陶瓷从室温到极低温增韧”（Toughening Ceramics down to Cryogenic Temperatures by Reentrant Strain-Glass Transition）为题发表在物理学旗舰期刊《物理学快报》（Physical Review Letters）上。物理学院杨森教授团队青年教师方敏侠助理教授为本论文第一作者，前沿院/金属材料强度国家重点实验室纪元超副教授、物理学院杨森教授等为本论文的共同通讯作者。该项研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、西安交通大学的经费支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.116102