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像氮化硅(Si₃N₄)这样的椭圆键合陶瓷具有诱人的机械、化学和物理性能，具有耐高温、优越的硬度、优异的耐磨性和相对较高的导热性和电绝缘性。这些特性使陶瓷适用于高温结构材料、切削工具、轴承和电子封装中的衬底等应用。例如，燃气涡轮发动机中的金属部件被共价键合陶瓷取代，以提高效率。然而，陶瓷往往是易碎的，即使是一个微小的裂纹也可能导致灾难性的失效，而看不到塑料变形。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的。不幸的是，这个过程会诱导纳米孔的成核、生长和聚合，最终导致脆性断裂。尽管已有大量的努力致力于通过将微结构与拉长晶粒联锁或设计层状结构来增韧共价键陶瓷，并观察到非晶态陶瓷的一定变形性，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，实现共价结合晶体陶瓷的塑性变形性一直是一个长期和关键的挑战。

理论上，如果共价键中的键断裂发生在非常小的体积内，同时新键的形成立即愈合，该研究将其定义为键切换，那么在共价键结合陶瓷中实现宏观塑性变形是可能的。从这个意义上说，局部原子重排的能量势垒需要更低，才能使一个键构型相对容易地过渡到另一个键构型，同时，滑移面两侧的晶格必须具有大致相同的单位原子距离，以确保晶体陶瓷中的连续原子平移。因此，具有相干界面的双相结构可以满足这些要求，并可作为共价键合结晶陶瓷中通过键切换实现相变调节塑性变形的良好候选材料。

在这项研究中，研究人员在Si₃N₄中演示了这种设计策略。Si₃N₄是一种具有广泛兴趣的典型共价键合晶体陶瓷。在正常条件下，Si₃N₄有a相和b相两种晶型。这两种多态性具有相似的角共享[SiN4]四面体六边形晶格结构，即它们的晶格常数在a方向上几乎相同，但在c方向上不同，其中a的晶格常数是b的两倍。这样的晶体结构允许Si₃N₄在晶体中具有潜在的相干相界面。在此基础上，研究人员设计了一种具有相干界面的a/b- Si₃N₄双相陶瓷，并观察到陶瓷中的大量塑性变形。

共格界面的双相α/β-Si₃N₄陶瓷的显微结构（图源自Science ）

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。

总的来说，该研究设计可形变共价键合氮化硅陶瓷的方法，具有相干界面的双相结构。在通过共格界面的键切换。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。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7490

来源 | iNature

编辑/审核：Andy

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