2022年10月28日，清华大学材料学院研究团队等在《Science》杂志上发表题为Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces（氮化硅陶瓷在相干界面上通过键切换产生的塑性变形）的研究论文，提出了一种可变形共价键合氮化硅（Si3N4）陶瓷的设计方法，其特点是具有共格界面的双相结构。在共格界面上实现了连续键切换，将有利于应力诱导相变，最终产生塑性变形能力。
//www.science.org/doi/10.1126/science.abq7490
文章简介
共价键合陶瓷具有优异的性能，包括硬度、强度、化学惰性、耐热和耐腐蚀，但由于其室温脆性，其更广泛的应用是一项挑战。与金属中的原子可以沿着滑移面滑动以适应应变不同，因为共价键具有强而定向的特性，因此共价键陶瓷中的原子需要破键。这最终会导致加载时发生灾难性的故障。本研究提出了一种设计可变形共价键合氮化硅(Si3N4)陶瓷的方法，其特点是具有相干界面的双相结构。连续键切换在相干界面上实现，这有利于应力诱导相变，最终产生塑性变形能力。
研究背景
共价键合陶瓷，如氮化硅(Si3N4)具有卓越的机械、化学和物理性能，具有耐高温、优越的硬度、优异的耐磨性和耐腐蚀性、相对较高的导热性和电绝缘性。这些陶瓷的特性使其适合于高温结构材料、切削工具、轴承和电子封装衬底等应用。例如，燃气涡轮发动机中的金属部件被共价结合陶瓷取代，以提高效率。然而,陶瓷它们往往很脆，即使是一个很小的裂缝也可能导致灾难性的故障，而看不到塑性变形。这一问题严重制约了陶瓷的适用性。从机理上讲，由于共价键的强定向特性，共价键陶瓷的局部塑性变形通常是通过键破机制开始。不幸的是，这个过程会诱导纳米孔的成核、生长和聚结，最终导致脆性断裂。尽管已有大量的工作致力于通过将微结构与拉长晶粒互锁或设计层合结构来增韧共价键陶瓷，并观察到非晶态陶瓷具有一定的可变形性，但由于共价键固有的强定向特性，共价键结晶可变形陶瓷尚未实现。因此, 了解共价键合结晶陶瓷的塑性变形性一直是一个长期和关键的挑战。
研究内容解读
本研究发现，键切换是金属中位错运动和相变的先决条件，也可以通过相干界面的设计在共价键合陶瓷中实现。然而，不能排除导致α/β-Si3N4的应变和强度增加的其他因素，这需要更好地阐明ß >α相变和应力-应变行为之间的相互作用。纳米孔样品的压缩应变和强度的绝对值通常与大块样品不同，需要更好的制备方法才能获得具有双相大结构和相干界面的大块尺度可变形Si3N4陶瓷。在其他共价陶瓷中也发现了多态现象，这使得具有相干界面的双相结构成为可能，特别是那些具有相关晶体结构和原子距离的双相结构(例如碳化硅的立方相和六方相)。从这个意义上说，研究人员期望这一方法可以扩展到开发更多的可变形陶瓷。
图1具有相干界面的a/β-SisN4双相陶瓷的微观结构。
图5密度泛函理论计算显示了b>a相变路径。
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