日前，美國國家科學院院刊發表了亞利桑那州立大學的研究人員開發出媲美金屬合金韌性的超強氧化鋯陶瓷材料的成果，其具備超高韌性的同時仍然保持了陶瓷結構材料高達1200MPa的高強度水平，這對于陶瓷結構材料的設計和應用大有裨益，大大拓寬了陶瓷結構材料的應用范圍和潛力。

論文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304498120

盡管結構陶瓷普遍具有很高強度，但低韌性嚴重限制了其實際應用。材料科學家的終極目標之一就是開發兼具高強和高韌的結構材料。多晶氧化鋯陶瓷（Y-TZPs）作為代表性的高韌陶瓷受到廣泛關注，機理源于相變增韌機制——當裂紋擴展時，裂紋周圍會發生應力誘導的T相到單斜相M(T→M) 相變，相變導致體積膨脹4%至5%，這也阻礙了裂紋繼續擴展。以此為研究理論基礎，研究人員的方向在于在外部壓力下能夠更容易地激活T→M轉變，則可以使Y-TZP變得更為堅韌。

1400℃下燒結的微觀結構和化學性質

（A）SEM圖像（B）STEM-EDS（C）Zr-Kα（D）Y-Kα的STEM圖像和相應的元素圖

本次研究中，研究人員選取市售亞穩定四方相2-4mol%Y₂O₃為原料。室溫下，T相的穩定性取決于氧化釔濃度（正比）和晶粒大小（反比），所以研究人員預判可以通過降低氧化釔濃度和增加晶粒尺寸來降低T相的穩定，以此進行增韌。此前的大多數研究都集中在2至4mol%Y-TZP晶粒尺寸的設計上，更低濃度的氧化釔則會導致陶瓷致密度降低。

本次研究摻雜了氧化鋁以提高燒結性能和機械性能，從而實現了完全致密的1.5 mol% Y-TZP(1.5Y)氧化鋯陶瓷的制備。其結果表現出超20MPam^1/2的高韌性，與金屬相當，同時保持超過1200MPa的強度。此外，這些Y-TZP表現出良好的耐低溫降解（LTD）能力，使其可用于未來的實際工業和醫療應用。

編譯整理 YUXI