Science | 形状记忆陶瓷和超弹性

传统陶瓷材料以其易碎性闻名，在日常生活中，一个不小心掉落的咖啡杯就足以证明这一点。长期以来，陶瓷材料的应变极限不超过 0.1% ，这严重限制了其在多个领域的应用前景。然而， Lai 等人的研究成果为陶瓷材料带来了突破。

这项开创性的研究展示了一种新型陶瓷材料，其可逆形变能力达到惊人的 7% 。要理解这一数据的重要性，我们可以将其与铝制品作比较：在相同应变条件下，铝制品会发生永久变形，而这种新型陶瓷却能完全恢复原状。更令人瞩目的是，通过精确的化学调控，研究人员还在这种陶瓷中发现了形状记忆效应，使其能够在受热后恢复原有形态。

要实现陶瓷材料中的特殊力学效应，特别是超弹性和形状记忆效应，需要满足严格的材料学条件。其中最关键的是材料必须能够发生 无扩散的马氏体相变 。

以氧化锆（ ZrO2 ）为基础的陶瓷体系是这类研究的典型代表。早在 5 0 多年前，科学家们就发现了这类材料中的马氏体转变现象。在这一转变过程中，材料的晶体结构 从四方相转变为单斜相 ，同时伴随着显著的体积和形状改变。然而，这种相变也存在局限性。体积变化和剪切应变的产生可能 导致材料产生微裂纹，造成不可逆的结构损伤 。

这是一篇发表于 1975 年的 Nature 文章，是关于氧化锆陶瓷领域非常经典和重要的文献。主要介绍了相变增韧氧化锆陶瓷的概念，首次系统地阐述了利用应力诱导相变来增强氧化锆陶瓷韧性的机理。

核心发现： 1 应力诱导相变 ( 四方 → 单斜 ) 可以显著提高氧化锆陶瓷的断裂韧性 , 这种相变会伴随 3-5% 的体积膨胀 ； 2 裂纹尖端的应力场可以诱发这种相变 。
增韧机理 ：裂纹尖端应力场触发四方相向单斜相转变 , 体积膨胀产生压应力场 ； 压应力场抑制裂纹扩展，提高材料韧性 。
重要影响： 开创了陶瓷相变增韧的研究方向 , 为高韧性氧化锆陶瓷的设计提供了理论基础 。推动了工程陶瓷的发展 .

小规模氧化锆柱的形状记忆效应的演示

在 ZrO2 基陶瓷材料中，晶体结构的相变行为对其力学性能起着决定性作用。当材料在四方相转变温度以上时， 外力作用可导致四方相和单斜相之间的可逆转换 。这种循环过程表现为超弹性特性，并伴随着能量以热量形式的耗散，其大小可通过滞回循环定量测量。

通过调节化学成分，可以实现材料性能从超弹性向形状记忆效应的转变。在形状记忆效应中，四方晶体在应力作用下转变为单斜结构，并在卸载后保持这种状态。只有通过加热才能触发材料回复到原始四方晶体结构的 " 记忆 " 过程。

让陶瓷具有记忆能力

Lai 等人的超弹性（绿色）和形状记忆（紫色）微晶 ZrO2 陶瓷的应力 - 应变响应示意图。当施加应力时，这些陶瓷会发生四方相到单斜相的转变。超弹性响应是完全可逆的，而形状记忆固体需要加热才能返回其四方相状态。