本文介绍了新型陶瓷材料的突破性研究，这种材料具有惊人的7%可逆形变能力，并能通过受热恢复原有形态。该材料基于氧化锆（ZrO2）体系，利用应力诱导相变增韧机理提高韧性。Lai等人的研究解决了微裂纹问题，并展示了超弹性和形状记忆效应的应用前景。
虽然对于咖啡杯这样的日常用品来说帮助有限，但在实现高温形状记忆和超弹性应用方面显示出了巨大潜力。
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50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.
第二个要求是解决微裂纹问题，这也是Lai等人工作的创新之处。他们的创新之处在于提出了一个独特的解决方案：通过精确控制样品尺寸，制备微米级别的柱状样品。这种方法的核心在于实现高表面积与体积比，同时确保样品中仅包含少量晶粒。这种设计不仅减小了样品体积，更重要的是创造了有利于应变松弛的条件。在这种寡晶结构中，高表面积起到了至关重要的作用。它为转变过程中产生的剪切应变提供了有效的释放通道，从而防止了微裂纹的形成。
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。
20世纪80年代末，Reyes-Morel等人首次注意到CeO2稳定的四方ZrO2多晶体中的形状记忆和超弹性现象。然而，他们的研究也暴露出了一些关键性问题：当应变超过1%时会出现微裂纹，而在超弹性循环测试中，材料无法完全恢复原状，且在经过数个循环后就会发生失效。Wei等研究者的后续研究也证实了这些局限性。随着微加工技术的进步，特别是微柱制备和测试技术的发展，这一领域迎来了新的发展机遇。
