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陶瓷作为一种古老而又充满魔力的材料，是人类文明史上要紧的创造之一。它既是无机非金属材料，又是传统工艺美术品，在大家日常随处可见，从古时候帝王御用的精美瓷器，到现代餐桌上的餐具，陶瓷以其温润的触感、华丽的外表，装点着日常的每个角落。

除此之外，陶瓷具备耐高温、耐腐蚀和硬度高等特质，渐渐成为电池、航空航天等高科技范围必不可少的材料。

陶瓷制品

（图片来源：veer图库）

陶瓷由什么成分组成？

陶瓷是指借助黏土、石英和长石等天然矿物作为材料，并且根据不同比率混合，最后经过成型、干燥、烧制等工艺过程制备的材料。

黏土是陶瓷生产中最基本也是非常重要的材料之一。它具备好的可塑性，可以在外力用途下变形并维持形状，是陶瓷成型的基础。黏土主要由硅酸盐矿物组成，含有适量的氧化铝、氧化铁和少量的碱金属氧化物。

石英是陶瓷材料中的要紧组成部分，主要由二氧化硅组成。在高温下，石英能与其他材料发生反应，促进陶瓷的烧结过程，提升陶瓷的硬度和耐热性。

长石是陶瓷材料中的熔剂性材料，主要由氧化钾、氧化钠和氧化铝组成。这类氧化物在高温下变成流动的玻璃态，既能溶解陶瓷中的其他材料，又能填充陶瓷的空隙，促进陶瓷的烧结和致密化。

陶瓷成型过程

（图片来源：veer图库）

陶瓷为何容易碎？

大家在日常搬运或放置陶瓷制品时都格外地小心，稍不注意就会使其破裂或摔碎。那样陶瓷为何这样“玻璃心”呢？

第一，大家要从陶瓷的内部结构说起。陶瓷主如果由非金属原子组成，依赖离子键和共价键结合在一块。这类化学键的强度非常高，赋予了陶瓷高硬度、高强度和耐高温等特质。

破碎的盘子

（图片来源：veer图库）

但陶瓷中离子或原子的排列较为紧密，且相互用途力大，当陶瓷遭到外力冲击或重压时，非常难通过材料内部的变形释放，而是会飞速集中在某一局部地区，形成受力集中点，致使原子间化学键的断裂，进而引发裂纹的产生。裂纹一旦形成，便会像多米诺骨牌一样在陶瓷内部飞速扩展，直至整个物体破碎。

向金属“借位”，提升陶瓷的韧性

2024年7月25日，中国科学家在《科学》（Science）杂志上发表了一项关于借用金属位错提升陶瓷延展性的研究成就，该技术将陶瓷在室温下的拉伸延展变为可能。

研究成就发表于《科学》杂志

（图片来源：《科学》杂志）

金属材料具备非常强的可塑性，受外力时可以轻松地发生形变，这主如果由于金属材料在外力用途下会发生位错。位错是晶体中的一种容易见到缺点，体目前晶体中的局部原子排列偏离了理想晶体结构的连续周期性。

位错虽然是一种缺点，但对晶体的物理性质，尤其是力学性质有要紧影响。它的存在可以促进晶体的塑性变形，提升材料的可塑性。

基于此，研究者借助金属钼（Mo）作为基底，通过高温烧结的办法，在其外延成长氧化镧陶瓷，制备了具备有序界面结构的借位错氧化镧陶瓷材料，该材料具备陶瓷高强度的同时还拥有金属材料的韧性，是陶瓷材料中的“全能手”。

A-C：借位错氧化镧陶瓷材料界面原子结构图；D-G. 借位错氧化镧陶瓷材料有序界面原子和电子结构的DFT计算结果

（图片来源：参考文献1）

借位错氧化镧陶瓷材料的特殊之处在于金属钼和氧化镧陶瓷之间的有序界面。研究者通过理论计算证实金属钼和氧化镧之间具备较强的化学键，可以将两种物质紧密地结合在一块。

在受外力时，金属钼会发生位错，并且通过有序界面结构将位错传递至氧化镧陶瓷，这种方法不仅能够承受由位错引起的应力，还可以缓解位错在界面处积累而致使的应力集中。很大地提升了氧化镧陶瓷材料的可塑性。

理论计算结果表明，借位错氧化镧陶瓷材料中金属位错穿过金属-陶瓷有序界面的能量仅为2288.5兆焦每平米，与金属内部位错传输所需的能量相当（2543.9兆焦每平米），成功地达成了金属位错在陶瓷材料内部的传输。

实验结果表明，借位错氧化镧陶瓷材料在室温下拉伸变形量为35%时，内部的位错密度可达3.12×1015每平米，与金属钼的位错密度相当（3.85×1015每平米）。正是因为借位错氧化镧陶瓷内部高的位错密度，其拉伸形变量可达39.9%，强度约为2.3GPa，颠覆了陶瓷在室温条件下很难拉伸的传统认知。

陶瓷在拉伸形变过程中的应力-应变曲线；B. 借位错氧化镧陶瓷材料在不同拉伸形变下的图片；C. 普通氧化镧陶瓷材料在不同拉伸形变下的图片

（图片来源：参考文献1）

提升陶瓷的韧性可以解决什么问题？

航空航天：陶瓷材料因其高硬度、高强度和耐高温性能而遭到喜爱。然而，其脆性限制了其应用范围。提升陶瓷的拉伸韧性后，可以将它用于制造更复杂的部件，如发动机喷嘴、热防护系统等，以提升整体性能和靠谱性。

汽车制造：陶瓷材料可用于制造刹车系统、排气系统等部件。提升陶瓷的拉伸韧性可以使其更好地承受刹车时的冲击力，延长使用年限并提升安全性。

刹车系统

（图片来源：veer图库）

能源存储：陶瓷材料可用于制造固态电池等新型储能设施。提升陶瓷的拉伸韧性可以改变电池的结构稳定性和循环性能，提升能量密度和安全性。

电子与半导体：在电子与半导体行业，陶瓷材料常用于制造封装材料、基板等。提升陶瓷的拉伸韧性可以改变封装结构的靠谱性，降低因热应力或机械应力致使的失效问题。

电子元件

（图片来源：veer图库）

向金属“借位错”提升陶瓷韧性的研究不止是材料科学范围的一次重大突破，更是人类探索未知、挑战不可能的写照。大家期待这一范围可以出现更多让人瞩目的成就，让陶瓷材料在更多范围发光发热。

参考文献：

1.Dong L R, Zhang J, Li Y Z. et al. Borrowed dislocations for ductility in ceramics[J]. Science, 2024.

2.Mo Y, Szlufarska I. Simultaneous enhancement of toughness, ductility, and strength of nanocrystalline ceramics at high strain-rates[J]. Applied Physics Letters, 2007.

3.王昕,谭训彦,尹衍升,等.纳米复合陶瓷增韧机理剖析[J].陶瓷学报, 2000.

4.倪海涛,张喜燕,朱玉涛.纳米结构金属位错的研究进展[J].材料导报, 2010.