陶瓷是非金屬無機材料的統稱，在硬度、耐磨耗性、耐熱性、耐蝕性等方面性能優異，具有獨特的介電特性。從日常生活中的陶瓷器和玻璃之類的器皿，到耐火材料和路塹工具之類的工業部件，再到電子元件、半導體材料以及製造設備等高科技工業領域，陶瓷材料被廣泛應用。近年來，在航空太空領域等嚴酷環境的應用領域，陶瓷作爲結構材料的需求進一步增加。然而，由於陶瓷易碎，作爲材料的可靠性較低，其應用範圍與金屬相比仍然有限。
東京大學研究生院工學系研究科的吉田英弘教授、增田紘士講師、青木勇太博士生、東京大學生產技術研究所的栃木榮太副教授等人組成的研究團隊，透過構建由高強度脆性材料的氧化鋁（Al₂O₃）陶瓷和釓-鋁鈣鈦礦（GdAlO₃、GAP）陶瓷形成的精密複合結構，發現材料會產生塑性變形能力並抑制脆性斷裂的現象。如果能夠激活差排運動，從而可從根本上提升陶瓷的塑性變形能力並抑制材料的斷裂，有望實施高可靠性陶瓷材料，大大拓寬陶瓷作爲結構材料的應用前景。相關研究成果已發表在期刊《Nature Communications》上。
圖1 Al₂O₃、GAP和Al₂O₃-GAP共晶複材在室溫條件下壓縮實驗前後的掃描電鏡圖示。其中Al₂O₃和GAP微型圓柱表現出陶瓷材料常見的脆性斷裂性質，但Al₂O₃-GAP共晶複材所構成的微型圓柱表現出曲率逐漸增大的無破損塑性變形（供圖：東京大學）
研究團隊認爲，在陶瓷材料中設計異種材料之間的界面來激活差排運動，可能有助於從根本上提高陶瓷的塑性變形能力。在研究中，研究人員透過將Al₂O₃及氧化釓（Gd₂O₃）陶瓷組成的混合粉末熔化後快速冷卻凝固，使Al₂O₃晶體中形成排列着100奈米左右粗細的微細GAP晶體桿狀結構，構建出類似於「在蓮藕孔中塞滿味噌」形狀的共晶材料。
研究團隊在室溫下對這種材料進行了微管柱壓力縮試驗，評估了微觀力學響應，並與Al₂O₃和GAP的單晶材料進行了比較。結果發現，單晶材料完全不發生塑性變形而出現斷裂，但Al₂O₃-GAP共晶材料則能夠在無斷裂的情況下，彎曲併發生塑性變形。此外，研究人員用穿透電子顯微術對變形後的共晶材料進行觀察，結果在Al₂O₃中觀察到了在室溫下本不應該活躍的差排運動。從透過設計異相界面來促進材料中的差排運動，利用堅硬易碎材料的組合實施塑性變形能力，製備堅硬且不易壓碎的材料的角度來看，這一發現是一項劃時代的成果。
未來，如果能夠進一步闡明導致陶瓷塑性變形的差排的生成及運動機制，以及微細組織和材料的選擇對力學響應的影響，就有望激發陶瓷中潛在的塑性變形能力，爲打造作爲兼具耐環境性和高可靠性的優良結構材料的陶瓷所需的新型材料設計提供新方向。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Overcoming the intrinsic brittleness of high-strength Al2O3–GdAlO3 ceramics through refined eutectic microstructure
DOI：10.1038/s41467-024-53026-6
