新型共晶复合材料打破陶瓷脆性定律！

【研究背景】

高强度陶瓷材料因其卓越的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性，成为了现代材料科学中的研究热点。然而，这些材料的固有脆性限制了其在结构应用中的广泛使用，尤其是在承受冲击和变形的场合。为了克服陶瓷的脆性，科学家们探索了多种途径，包括纤维增强、长晶粒增强和相变韧化等方法。然而，传统方法在提高陶瓷的塑性变形能力方面效果有限，因其需要较高的应力才能激活位错滑移，且可用的滑移系统往往不足以支撑任意变形，这成为了研究中的一大挑战。

为此，东京大学 Hidehiro Yoshida研究者们转向了Al2O3–GdAlO3（GAP）共晶复合材料，作为一种新兴的陶瓷材料，展现了改善塑性变形能力的潜力。通过采用电场辅助烧结技术，科学家们成功制备出具有细微相间距的Al2O3–GAP共晶材料，并发现其展现出显著的塑性变形能力。在微柱压缩测试中，这些共晶材料在室温下达到了1–5%的工程塑性应变，显著优于常规的Al2O3或GAP单晶，后者则表现出脆性断裂。这一研究结果表明，通过精细化共晶微结构的设计，可以有效提高高强度陶瓷材料的塑性，从而拓宽其在工程领域的应用前景。

【表征解读】

本文通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）等多种表征手段，深入分析了Al2O3–GAP共晶复合材料的微观结构及其力学性能。TEM观察揭示了Al2O3和GAP相的精细组织结构，显示出杆状GAP相在Al2O3基体中的排列。这一发现表明，细化的GAP相可以在Al2O3中形成稳定的共晶结构，从而显著提升材料的塑性变形能力。

针对Al2O3–GAP共晶微柱在高压条件下的塑性变形现象，本文通过高分辨率TEM分析了微柱内部的位错活动和晶体取向。结果表明，塑性应变主要是由于Al2O3相的{110}<100>棱柱滑移和GAP相的几何旋转引起的。这一微观机制的深入探讨为理解高强度陶瓷材料的塑性行为提供了新的视角。

在此基础上，结合了FIB技术制备的微柱压缩实验，本文分析了不同晶体取向对压缩性能的影响。通过对比不同取向的Al2O3和GAP单晶微柱，结果显示，微柱在与晶体生长方向的角度大于15°时，可以有效避免脆性断裂，表现出显著的塑性。这一研究结果不仅揭示了共晶微结构在高压下的优越塑性特征，也为优化陶瓷材料的设计提供了理论支持。

总之，经过TEM、SEM等多种表征手段的深入分析，本文探讨了Al2O3–GAP共晶复合材料的微观结构与力学性能之间的关系，进而成功制备了具有优越塑性的新材料。这一研究不仅推动了高强度陶瓷材料的进步，也为未来开发更具优良力学性能的复合材料提供了新的思路和方向。通过对微观机制的深入理解，今后的研究将能够进一步探索不同微结构对材料性能的影响，最终实现更广泛的工程应用。

Al2O3-GAP共晶微柱的变形行为

参考文献：Aoki, Y., Masuda, H., Tochigi, E. et al. Overcoming the intrinsic brittleness of high-st2gth Al2O3–GdAlO3 ceramics through refined eutectic microstructure. Nat Commun 15, 8700 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53026-6