硬、脆是陶瓷典型特征，在大多應用中“硬”是優點，“脆”是缺點。脆性材料往往突然失效（碎裂、崩角），由此導致的不可靠，難加工等問題尤其限制了先進陶瓷的應用空間和價值。8月初，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的INTACT（低成本高韌性陶瓷）計劃內容更新，顯示將通過冷噴涂加工（CSP）技術來實現陶瓷增韌。

金屬材料普遍具備較高韌性，主要因為金屬鍵無方向性，原子滑移后瞬間就會重建鍵合。而陶瓷脆性根源在于共價鍵強方向性，所以其在遭遇微米級缺陷也無法通過位錯增殖形成塑性緩沖，往往發生災難性失效。通過人工引入位錯，形成類似金屬的變形機制就成了先進陶瓷突破脆性限制的有效方案。

冷噴涂工藝示意圖（圖源：phillips）

冷噴涂加工（Cold Spray Processing, CSP）最早在1980年代開發出來，它利用加壓氣體（如空氣、氮氣或氦氣）在高溫下作為推進氣體，通過特殊設計的噴嘴將金屬或陶瓷粉末加速到300-1200m/s的速度。當這些高速粉末顆粒撞擊基底表面時，它們經歷嚴重塑性變形后沉積形成涂層或塊體沉積物。

與熱噴涂相比，CSP不僅可以避免高溫可能導致的分解、氧化以及晶粒粗化等問題，而且高速撞擊產生的剪切應力超過陶瓷的屈服強度，迫使晶格滑移，形成位錯纏結網絡，而高位錯區形成局部殘余壓應力場，迫使微裂紋繞行或分叉，消耗斷裂能，從而實現陶瓷增韌。

即便上述理論支撐冷噴涂技術用于陶瓷增韌，但實際挑戰仍然很多。比如陶瓷顆粒的臨界沉積速度極高，界面結合強度與冶金結合無法相比，陶瓷粉體的粒度粒形對沉積影響極大，工藝可控性較差……

冷噴涂修復前后對比

美國推動的這項為期兩年的項目，匯集了大學和工業合作伙伴，由明尼蘇達大學David Poerschke教授領銜，集結高校與工業界合作團隊。佛羅里達國際大學（Tanaji Paul教授主導）、弗吉尼亞聯邦大學（Arvind Agarwal教授）、Solvus Global（Pin Lu博士與Victor Champagne博士）負責冷噴涂工藝開發與規模化應用，伊利諾伊大學芝加哥分校團隊（Matthew Daly教授）專注斷裂行為與位錯穩定性研究。Citrine Informatics（James Saal博士）將發揮關鍵作用，利用現有金屬冷噴涂機器學習模型進行參數建模和優化。

粉體圈 啟東