8月11日，德克薩斯農工大學、得克薩斯州州立大學、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學等機構的聯合研究團隊在Science Advances發表題為“碳化物陶瓷的室溫裂紋愈合”的研究成果。該研究探索了一條新的陶瓷增強機制，以期能夠克服陶瓷材料的災難性斷裂固疾。

缺乏能夠承受極端環境的材料，這往往給開發和部署一系列下一代技術（如高效噴氣發動機、高超音速飛行和更安全的核反應堆）帶來了最大的技術障礙。雖然陶瓷材料在高溫和惡劣環境下具有優異的化學和結構穩定性，但與金屬材料相比，其塑性變形能力和損傷容限不足嚴重限制了其適用性，特別是在室溫下，陶瓷材料很容易在裂紋尖端發生粘結斷裂而發生災難性斷裂。

傳統的解決方法依賴于微觀結構的陶瓷增韌機制，如裂紋偏轉、裂紋橋接、微裂紋和應力誘導相變。此外，提高損傷容限的探索還包括開發具有層次結構的自然啟發陶瓷基（混合）材料，這種材料可以觸發多種增韌機制的組合。即便如此，研究團隊認為在裂紋擴展過程中激活增韌機制可以推遲災難性斷裂，但更有效的增韌機制是在裂紋形成時愈合。

眾所周知的是，裂縫愈合需要材料局部流動，通過物理或化學相互作用來閉合和愈合裂縫，目前在此方面受益最大的材料是聚合物和聚合物復合材料以及凝膠材料，陶瓷材料在這方面的成功經驗非常有限，并且陶瓷的裂紋愈合很少自主進行，主要是通過加入添加劑，在高溫高溫下進行，還有極少數情況下，陶瓷材料的自動愈合是通過高溫氧化來實現，但高溫氧化修復裂紋存在很大的局限性——它至少要求氧化相的存在、裂紋表面對氧化環境的可接近性以及氧化皮與裂紋表面的良好粘附性。此外，某些微觀結構特征（如晶界）的選擇性氧化可導致應力集中部位，而材料與裂紋愈合氧化物之間的熱膨脹失配可導致熱循環過程中的裂紋萌生。

Cr₂AlC單晶樣品的實驗裝置及流程示意

研究人員發現和證明了在室溫下，晶體原子層狀陶瓷材料的裂紋愈合是可能的。比如MAX相材料（M是早期過渡金屬，A主要是組13到16的元素，X是碳或氮），大量研究表明，多晶MAX相中的幾個單獨晶粒在各種外部載荷條件下（如拉伸、壓縮、蠕變、疲勞和沖擊）容易發生扭結，扭結會導致稱為“扭結帶”的帶中的局部塑性變形，其中材料的微觀結構或晶體學方向從未連接區域錯位。在多晶MAX相中，扭結通過裂紋橋聯限制了弱結合面上裂紋的快速擴展，并決定其非常規損傷容限，研究人員發現，在最大相位扭結愈合裂紋形成揭示了一個事實：這是一個超乎想象的強有力的陶瓷增韌機制。

扭結并不是MAX相所獨有的，在許多其他原子層狀陶瓷材料中也有，比如六方碳化物、氮化硼、層狀硼化物、石墨等。因此，理論上扭結誘導的裂紋愈合可以更廣泛的應用受到其損傷容限差和沿弱結合面開裂傾向的限制。

編譯 YUXI