先进陶瓷拥有高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损和低密度等优异性能，在高温环境中能保持良好的力学性能，广泛应用于航空航天、机械、化工等领域。随着高新技术产业的快速发展，对先进陶瓷材料的需求不断增加。预计未来几年内，高端陶瓷粉体、电子陶瓷、生物陶瓷、节能环保陶瓷和航空航天用陶瓷等方向将保持快速增长。而提高陶瓷材料的断裂韧性是扩大其应用范围的前提。
先进陶瓷为何“玻璃心”？
陶瓷应用虽广泛，但它拥有一颗易碎的“玻璃心”。
众所周知，金属材料很容易产生塑性变形，原因是金属键没有方向性。而陶瓷材料主要由非金属原子组成，依靠离子键和共价键结合在一起，这些化学键强度很高，赋予了陶瓷高硬度、高强度和耐高温等特性。在陶瓷内部结构中共价键有明显的方向性和饱和性，而离子键的同号离子接近时斥力很大，这就导致在受力作用下难以发生显著的位错运动引起塑性变形以松弛应力；在显微结构方面其脆性根源在于存在裂纹，且易于导致高度的裂纹集中，裂纹一旦形成，便会像多米诺骨牌一样在陶瓷内部迅速扩展，直至整个物体破碎。
如何拯救先进陶瓷这颗“玻璃心”？
陶瓷材料增韧一直是该领域的关键问题和前沿技术，也是难度最大、最具挑战性的课题之一。为解决这颗易碎的“玻璃心”，国内外学者及研究人员先后提出了多种增韧技术。
1.颗粒弥散增韧
颗粒弥散增韧陶瓷是将第二相颗粒引入到陶瓷基体中，使其弥散分布起到增韧陶瓷基体的方法。根据增韧机理的不同，可以分为非相变第二相颗粒增韧、延性颗粒增韧和纳米颗粒增韧等。
首先，非相变第二相颗粒增韧主要依靠基体和第二相颗粒之间热膨胀系数和弹性模量的不匹配，目前使用最多的是碳化物和氮化物等颗粒。
其次，延性颗粒增韧在陶瓷基体中添加的一般为延性金属颗粒，例如Ni、Cu、Cr、Al、Fe等。裂纹扩展过程中遇到金属颗粒将发生偏转、钉扎、分叉等现象，阻碍了裂纹的进一步扩展，使陶瓷材料的断裂韧性增大。
纳米技术的发展促进了材料性能的改善，纳米颗粒的加入提高了陶瓷材料的强度和断裂韧性。纳米粉颗粒的表面效应使其具有较高的表面活性。这一特点使纳米粉与基体粉之间很容易结合，烧结时很容易致密化，而且使烧结温度降低，从而提高了复合粉体的烧结活性，降低了烧结温度，并提高了材料的力学性能。
2.相变增韧
相变增韧的研究热点主要集中于ZrO2相变，ZrO2相在不同温度下存在三种典型的晶体结构：立方相(c-ZrO2)、四方相(t-ZrO2)以及单斜相(m-ZrO2)。当它从高温冷却到室温时，会发生立方相到四方相再到单斜相的转变(c→t→m)，其中四方相到单斜相的转变(t→m)往往伴随着体积膨胀。在陶瓷材料承受载荷时，应力诱发产生了t-m相变，相变产生的体积效应和形状效应吸收了大量断裂能，导致复合材料的断裂韧性大幅提升。
3.晶须或纤维增韧
高弹性模量的晶须或纤维可以通过裂纹偏转、分叉、桥连以及纤维的拔出等多种增韧机理对陶瓷材料进行增韧补强，效果显著。晶须或纤维的引入改变了陶瓷材料的断裂行为，由脆性断裂转变为非脆性断裂。为了达到增韧的目的，首先晶须或纤维与基体材料要满足两者的物理、化学相容性匹配；其次，晶须或纤维的含量存在临界含量和最佳含量。另外，研究表明晶须或纤维的强度和弹性模量也可以影响材料的增韧效果，提高强度、降低弹性模量均有利于提高陶瓷材料的断裂韧性。目前常用的晶须包括SiC晶须、Si3N4晶须等；常用的增强纤维有SiC纤维、Si3N4纤维、碳纤维等。晶须或纤维的引入方法包括外加法和原位生长法。
晶须或纤维的增韧机理
4.自增韧技术
自增韧技术主要是在陶瓷基体中引入第二相材料，通过控制工艺参数，在制备过程中形成类似于晶须的棒状晶粒使陶瓷基体的断裂韧性增加的一种方法。自增韧技术的增韧机理主要包括自生增强体的拔出和裂纹的偏转、桥连机制，避免了陶瓷基体与增韧相不相容、增韧相分布不均匀等问题。自增韧陶瓷主要包括Si3N4和Sialon等。
5.复合增韧
复合增韧是一种将多种增韧技术结合起来进一步提高材料断裂韧性的方法，近年来受到了国内外研究者的广泛关注。常见的多元协同增韧方法有：颗粒/晶须、颗粒/相变、相变/晶须、石墨烯（碳纳米管）/颗粒（或相变、晶须）等。
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高陶瓷延展性的研究成果，该技术将陶瓷在室温下的拉伸延展变成可能。
王金淑教授联合北京科技大学陈克新教授以及香港大学黄明欣教授，首创性地提出了一种“借位错”策略，即通过构建金属-陶瓷有序键合界面，成功实现了金属和陶瓷之间位错的传输（借位错），克服了陶瓷自身位错难以形成的难点。该项研究成果为世界上首次实现陶瓷的室温拉伸塑性，陶瓷拉伸延伸率可达39.9%，强度约为2.3 GPa。
将金属中的“位错”机制引入陶瓷材料，以增强其韧性，这一创举不仅是材料科学领域内里程碑式的飞跃，更是人类不懈追求科学边界、勇于跨越“不可为”之境的生动体现。
陶瓷韧性的提升，解决应用挑战
1.航空航空
陶瓷基复合材料正是人们预计在21世纪中可替代高温合金的发动机热端结构材料之首选，而连续纤维增强陶瓷基复合材料（CMCs）弥补了陶瓷材料的短板。CMCs由陶瓷纤维和陶瓷基体组成，具有密度低、硬度高、热稳定性能优异及化学耐受性强等特点，其密度仅为高温合金的1/3，强度为其2倍，能够承受1000℃～1500℃的长时间高温使役（比高温合金高200℃～240℃），且结构耐久性更好。同时，CMCs固有的断裂韧性和损伤容限高，适用于燃气涡轮发动机热端部件，能在较高的涡轮进口温度和较少的冷却空气（大于1300℃）下运行，发动机效率和耗油率明显改善。
现役F414发动机尾喷管CMCs封严片
2.电子器件与半导体
在电子与半导体行业中，陶瓷材料因其独特的物理和化学性质，被广泛应用于制造封装材料、基板等关键部件。传统陶瓷封装材料在受到热应力或机械应力时，容易发生脆性断裂，导致封装失效，高韧性陶瓷能有效抵抗这些应力的影响，减少封装失效的风险。
DBC ZTA陶瓷覆铜基板，来源：贺利氏
其中，ZTA基板通过掺杂锆的氧化铝陶瓷提高了可靠性，耐腐蚀、化学稳定性好，具有高断裂韧性和抗弯强度、高耐温能力、高载流容量、高绝缘电压、高热容与热扩散能力以及与硅相近的热膨胀系数，使其成为DBC陶瓷覆铜基板和LED线路板急需的高性能陶瓷材质电路载体。
参考来源：
兰德慧等：陶瓷材料增韧研究进展
张月林等：氧化铝陶瓷增韧的研究进展
豆高雅：自增韧氮化硅陶瓷的制备与性能研究
科普中国：中国科学家实现陶瓷增韧增塑，让陶瓷变得可拉伸
无机非金属材料科学：陶瓷材料｜陶瓷增韧的原理、方法及应用
（中国粉体网编辑整理/空青）
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