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共價(jià)鍵合陶瓷，如氮化硅（Si₃N₄），具有優(yōu)異的機(jī)械、化學(xué)和物理性能，具有高耐溫性、極佳的硬度、耐磨性和耐腐蝕性、相對(duì)較高的導(dǎo)熱性和絕緣性。這些特性使陶瓷適用于電子包裝中的高溫結(jié)構(gòu)材料、切割工具、軸承和基材等應(yīng)用。

然而，陶瓷往往很脆，以至于即使是微小的裂縫也可能導(dǎo)致失效，而沒有觀察到的塑性變形。這個(gè)問題嚴(yán)重限制了陶瓷的適用性。機(jī)理上，由于共價(jià)鍵的強(qiáng)定向特性，共價(jià)鍵陶瓷的局部塑性變形通常是通過鍵斷裂機(jī)制引起的。不幸的是，這個(gè)過程誘導(dǎo)了納米孔的成核、生長(zhǎng)和聚合，最終導(dǎo)致脆性斷裂。盡管已有大量的工作致力于通過將微結(jié)構(gòu)與拉長(zhǎng)晶粒互鎖或設(shè)計(jì)層合結(jié)構(gòu)來增韌共價(jià)鍵陶瓷，并觀察到非晶態(tài)陶瓷具有一定的可變形性，但由于共價(jià)鍵固有的強(qiáng)定向特性，共價(jià)鍵結(jié)晶可變形陶瓷尚未實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)現(xiàn)共價(jià)鍵合晶體陶瓷的塑性變形性一直是一項(xiàng)長(zhǎng)期而關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

近日，清華大學(xué)Jie Zhang, Guanghua Liu, Wei Cui（共同一作）和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部陳克新（通訊作者）等人在Science上發(fā)表文章，Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces，通過共格界面的鍵切換實(shí)現(xiàn)了氮化硅陶瓷的塑性變形。

從理論上講，如果共價(jià)鍵中的鍵斷裂體積很小，并且新鍵形成立即愈合，則可以在共價(jià)鍵陶瓷中實(shí)現(xiàn)宏觀塑性變形，作者在本文中將其定義為鍵切換。從這個(gè)意義上講，局部原子重排的能壘需要更低，以便相對(duì)輕松地將一種鍵合結(jié)構(gòu)過渡到另一種鍵合結(jié)構(gòu)，同時(shí)，滑移平面兩側(cè)的晶格必須具有大致相同的單位原子距離，以確保晶體陶瓷中的連續(xù)原子平移。因此，具有共格界面的雙相結(jié)構(gòu)可以滿足這些要求，并通過共價(jià)鍵合結(jié)晶陶瓷中鍵切換實(shí)現(xiàn)相變介導(dǎo)的塑性變形。

作者在Si₃N₄中演示了這種設(shè)計(jì)策略，Si₃N₄是一種具有廣泛興趣的典型共價(jià)鍵合結(jié)晶陶瓷。在正常情況下，Si₃N₄有兩相，α相和β相。這兩相具有相似的六邊形晶格結(jié)構(gòu)，由角共享[SiN₄]四面體組成，也就是說，它們的晶格常數(shù)沿a方向幾乎相同，但沿c方向不同，α的晶格常數(shù)是β的兩倍。這種晶體結(jié)構(gòu)允許Si₃N₄在晶體中具有共格相界面。

有鑒于此，作者設(shè)計(jì)了一種具有共格界面的雙相α/β-Si₃N₄陶瓷，這種結(jié)構(gòu)允許在力加載過程中進(jìn)行兩個(gè)滑動(dòng)和兩相轉(zhuǎn)換步驟，避免了傳統(tǒng)的粘結(jié)斷裂和材料斷裂趨勢(shì)。連續(xù)鍵切換在共格界面上實(shí)現(xiàn)，這有利于應(yīng)力誘導(dǎo)相變，最終產(chǎn)生塑性變形能力。如果這種機(jī)制適用于其他陶瓷，那么它可能是一種使它們更具可塑性的方法。