Nature | 首个在室温下像金属一样变形的块体陶瓷

材料科学领域长期以来面临着一个关键挑战：如何使陶瓷材料兼具高强度与可变形性。近期，一项突破性研究揭示了一种创新高强度陶瓷材料，其独特之处在于由相互交锁的纳米级板片构成，且材料的堆叠层相对于彼此呈扭转状态。这种结构设计使该陶瓷能够在室温下实现显著变形而不会立即断裂，从而实现了材料科学家长期以来的目标。

陶瓷材料的传统局限性

陶瓷材料在工程应用中相较于金属具有诸多优势，包括低密度、高抗压强度（硬度）以及优异的抗腐蚀性能。然而，陶瓷材料的致命弱点在于其脆性特征 —— 即使在经历极小的变形后也会发生脆性断裂。这一特性严重限制了陶瓷在需要承受弯曲、拉伸或冲击的应用场景中的使用。

传统上，室温下的大幅弹性（可逆变形）和塑性（不可逆变形）仅在微米和纳米尺度的陶瓷样品中被观察到。当陶瓷尺寸增大至宏观块体水平时，材料内部不可避免地会包含各种缺陷，如孔隙和微裂纹，这些缺陷显著降低了材料的变形能力，增加了其断裂倾向。

莫尔超晶格与扭转堆叠结构

近年来，二维材料领域的研究揭示了 " 莫尔超晶格 " 的独特特性。这种结构是通过堆叠两个或多个单原子厚度的层，并使这些层相对彼此扭转形成的。此类材料不仅展现出有趣的电学和磁学性质，还表现出独特的机械行为，如层间摩擦的减小。这些发现暗示着，在三维块体材料中引入扭转堆叠结构可能会显著改变其变形能力。

然而，将这一概念扩展至块体多晶材料面临着制备方法的挑战，因为制备二维扭转层的传统技术难以应用于三维块体材料的制造过程。

陶瓷材料的 新 突破

燕山大学Wu等人 通过创新方法成功合成了一种由含有扭转堆叠层的交锁纳米板片组成的块体 多晶氮化硼（ BN ） 陶瓷。该材料的制备采用了热压烧结和放电等离子烧结等成熟的陶瓷制造工艺，将类洋葱 BN 纳米前驱体（由多层同心球形壳组成）转化为具有扭转层结构的块体陶瓷。

这种扭转层块体陶瓷表现出了卓越的机械性能，包括高抗压强度和前所未有的室温变形能力。实验数据显示，该材料能够承受高达 14% 的压缩应变，其中包括 8% 的塑性变形和约 6% 的弹性变形。这一变形能力几乎比传统块体陶瓷高出一个数量级。

图 1 | 高度可变形的块体陶瓷 。 a, 施加垂直压缩力前（上）和后（下）的扭转层氮化硼（ BN ）陶瓷样品。样品显示出显著的垂直压缩和横向膨胀，对应 13.6% 的应变。样品表面的圆圈作为应变标记。 b, 扭转层 BN 陶瓷的压缩应变（变形能力）和强度与传统陶瓷的比较。插图比较了各种陶瓷的塑性应变（与不可逆变形相关的变形能力）和强度。绘制的值是在室温下压缩断裂前试样的最大强度和应变。 hBN ，六方氮化硼。图片来源： Wu, Y. et al./Nature (CC BY 4.0)

性能优势及机理分析

这种陶瓷材料的卓越机械性能可归因于两个关键因素的协同作用：一方面是纳米板片中 扭转层 的内在变形能力，另一方面是 三维交锁结构 的保护机制，后者有效阻止了变形跨越各个纳米板片传播，从而防止了宏观断裂的发生。

这种独特的结构设计解决了传统陶瓷材料的根本性缺陷，实现了材料科学家长期以来的目标 —— 制造可在室温下像金属一样实现弯曲、拉伸而不易断裂的陶瓷材料。

图 2 ：多晶氮化硼（ BN ）陶瓷的变形模式。 a, 断裂表面显示了许多被扭折（白色箭头）锐性弯曲成两半的纳米片。 b, DF-STEM 图像显示陶瓷中纳米片的扭折（白色箭头）和层间剥离（橙色箭头）。剥离面是基面，纳米片通过该面被 " 剥离 " 成多个片层。红色虚线表示一处被周围不同取向的纳米片阻挡的层间剥离。 c, HAADF-STEM 图像显示具有局部缺陷（红色圆圈）的扭折边界。 d, TEM 图像显示基面原子层之间的波纹位错（箭头）和位错（ ⊥ ）。比例尺： 500 纳米（ a ）， 200 纳米（ b ）， 5 纳米（ c ）， 2 纳米（ d ）。

未来方向

这些研究成果为陶瓷材料的应用开辟了全新领域。传统陶瓷材料虽具有高硬度和耐热性，但脆性限制了其在需要承受动态负荷的环境中的应用。能够像金属一样变形的陶瓷将在多个领域发挥关键作用，特别是作为 承重部件、减震元件和密封元件 。尤为重要的是，这种材料使用传统方法制备，便于实现大规模生产，从实验室成果向工业应用转化的障碍较小。

制备方法与技术挑战

这种独特陶瓷的形成是类洋葱 BN 纳米前驱体在特定温度和压力条件下发生相变的结果。尽管展现出令人瞩目的性能，该技术仍面临一个明显限制：所需前驱体目前不是市售产品，必须作为制备过程的第一步自行生产。因此，探索不同潜在前驱体（如其他形式的 BN ）的相变行为成为未来研究的重要方向。

性能优势与材料改进

扭转层 BN 陶瓷展现出的高抗损伤和抗疲劳性能在传统陶瓷中极为罕见，这一特性对于实际应用具有决定性意义。未来研究应深入探索这些特性的机理及应用潜力。此外，通过添加纳 米纤维、纳米管 或其他次级材料，有望进一步提高陶瓷的韧性和强度，扩展其应用范围。

本研究中开发的设计策略具有广泛的适用性，可以延伸至其他层状材料，如 石墨、 "MAX 相 " 陶瓷和层状半导体 。这种方法论的扩展将为多种新型功能材料的开发提供思路，促进材料科学领域的整体发展。

样品制备与电镜表征 方法

1 陶瓷 样品制备

oBN 纳米前驱体是利用化学气相沉积法制备的。研究中所使用的原材料为三甲基硼酸酯和氨，制备得到的 oBN 颗粒尺寸分布在 50 至 500 纳米之间，平均粒径约为 180 纳米。