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共价键合陶瓷，如氮化硅（Si₃N₄），具有优异的机械、化学和物理性能，具有高耐温性、极佳的硬度、耐磨性和耐腐蚀性、相对较高的导热性和绝缘性。这些特性使陶瓷适用于电子包装中的高温结构材料、切割工具、轴承和基材等应用。

然而，陶瓷往往很脆，以至于即使是微小的裂缝也可能导致失效，而没有观察到的塑性变形。这个问题严重限制了陶瓷的适用性。机理上，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断裂机制引起的。不幸的是，这个过程诱导了纳米孔的成核、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，实现共价键合晶体陶瓷的塑性变形性一直是一项长期而关键的挑战。

近日，清华大学Jie Zhang, Guanghua Liu, Wei Cui（共同一作）和国家自然科学基金委员会工程与材料科学部陈克新（通讯作者）等人在Science上发表文章，Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces，通过共格界面的键切换实现了氮化硅陶瓷的塑性变形。

从理论上讲，如果共价键中的键断裂体积很小，并且新键形成立即愈合，则可以在共价键陶瓷中实现宏观塑性变形，作者在本文中将其定义为键切换。从这个意义上讲，局部原子重排的能垒需要更低，以便相对轻松地将一种键合结构过渡到另一种键合结构，同时，滑移平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，具有共格界面的双相结构可以满足这些要求，并通过共价键合结晶陶瓷中键切换实现相变介导的塑性变形。

作者在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结晶陶瓷。在正常情况下，Si₃N₄有两相，α相和β相。这两相具有相似的六边形晶格结构，由角共享[SiN₄]四面体组成，也就是说，它们的晶格常数沿a方向几乎相同，但沿c方向不同，α的晶格常数是β的两倍。这种晶体结构允许Si₃N₄在晶体中具有共格相界面。

有鉴于此，作者设计了一种具有共格界面的双相α/β-Si₃N₄陶瓷，这种结构允许在力加载过程中进行两个滑动和两相转换步骤，避免了传统的粘结断裂和材料断裂趋势。连续键切换在共格界面上实现，这有利于应力诱导相变，最终产生塑性变形能力。如果这种机制适用于其他陶瓷，那么它可能是一种使它们更具可塑性的方法。

图1. 具有共格界面的双相α/β-Si₃N₄陶瓷的微观结构

图2. 具有不同共格界面比例（占界面总长度的比例）的多晶Si₃N₄纳米柱的力学行为

图3. Si₃N₄样品在高压压缩期间的相含量变化

图4. 原位TEM揭示的具有代表性的β→α相变换事件

图5. β→α相变通路的密度泛函理论计算

文献信息

Zhang et al., Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces. Science 378, 371-376 (2022)

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

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