清華大學&NSFC陳克新Science：陶瓷？塑料？塑性陶瓷！

【研究背景】

自1857年首次報道合成方法以來，得益于共價鍵合作用，氮化硅（Si₃N₄）陶瓷具有優異的機械、化學和物理性能，如耐高溫、優異的硬度、優異的耐磨性和耐腐蝕性、相對較高的導熱性和電絕緣性。這些特性使陶瓷適用于電子封裝中的高溫結構材料、切削工具、軸承和基板等應用。然而，陶瓷往往是易碎的，因此即使是微小的裂紋也可能導致災難性的失效，而不會出現明顯的塑性變形，嚴重限制了陶瓷的適用性。盡管通過將微結構與細長晶粒互鎖或設計層壓結構來增韌共價鍵合陶瓷已經付出了大量努力，共價鍵合的晶體可變形陶瓷由于共價鍵的固有的強和方向性特征尚未實現。因此，實現共價鍵合結晶陶瓷的塑性變形能力一直是一項長期而關鍵的挑戰。

【成果簡介】

近日，國家自然科學基金委員會工程與材料科學部無機非金屬材料學科主任、清華大學陳克新教授團隊提出了一種設計可形變共價鍵合氮化硅（Si₃N₄）陶瓷的方法，該陶瓷具有相干界面的雙相結構。在通過共格界面的鍵切換，有助于應力誘導相變，并最終產生塑性變形能力。該論文以題為“Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces”發表在知名期刊Science上，論文第一單位為清華大學。

【圖文導讀】

圖一、共格界面的雙相α/β-Si₃N₄陶瓷的顯微結構

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圖二、具有不同比例相干界面的多晶Si₃N₄納米柱的力學行為

圖三、Si₃N₄樣品在高壓壓縮過程中的相含量變化

圖四、原位TEM揭示代表性的β→α相變

圖五、密度泛函理論計算證明β→α相變

【結論展望】

研究表明，鍵切換是金屬位錯運動和相變的先決條件，也可以通過設計相干界面在共價鍵合陶瓷中實現。然而，不能排除導致α/β-Si₃N₄應變和強度增加的其他因素，需要更好地闡明β→α相變和應力應變行為。納米柱樣品壓縮產生的應變和強度的絕對值通常與塊狀樣品的絕對值不同，需要更好的制造方法來獲得具有雙相大結構和相干界面的塊狀可變形Si₃N₄陶瓷。在其他共價陶瓷中也發現了多態性，這使得可以定制具有相干界面的雙相結構，特別是在那些具有相關晶體結構和原子距離（例如碳化硅的立方相和六方相）的陶瓷中。從這個意義上說，預期目前工作的方法可以擴展到開發更多可變形陶瓷。

文獻鏈接：Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces( Science 2022, 378, 371-376)