科学网—甬江实验室先进结构陶瓷创新中心团队综述：室温塑性陶瓷的兴起与研究进展-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-8-7 09:37
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Xu Z, Zhang J, Dong L, et al. Rethinking brittleness in ceramics: The emergence of room-temperature plasticity. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221353
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221353
ResearchGate ： Rethinking brittleness in ceramics: The emergence of room-temperature plasticity
基金支持：
国家重点研发计划（ 2025YFF0520903 ）、国家自然科学基金（ U23A20566 ， 52531005 ）、浙江省自然科学基金（ LZYQ25E020001 ， LD26E010002 ）、浙江 “ 尖兵 ”“ 领雁 ” 浙江省 “ 尖兵 ”“ 领雁 ” 研发攻关计划（ 2024SSYS0051 ）、浙江省青年科学家创新团队（ 2025TD2072 ）、中国科协青年人才托举工程项目（ 2024QNRC001 ）。
一、 导读
陶瓷兼具高硬度、耐高温、耐磨损和耐腐蚀等优势，却往往在室温下因裂纹快速扩展而突然失效， “ 强而脆 ” 长期制约其在航空航天、能源、核工程及生物医用等承载场景中的可靠应用。
该综述围绕 “ 陶瓷能否在室温下实现真正塑性变形 ” 这一核心问题，系统梳理位错滑移、晶界滑移、孪生、相变、非晶流动及界面滑移等变形机制，并总结缺陷工程、共格界面、层状与多相结构、非晶 — 晶体复合、纳米晶化和外场调控等设计策略。
文章进一步比较宏观压缩、拉伸、纳米压痕、微柱压缩和原位 TEM 等测试方法，强调必须区分韧性、塑性与延性。已有代表性体系在特定尺度和结构条件下实现约 5%—40% 的塑性应变，但块体化、拉伸延性、循环稳定性和规模化制造仍是走向应用的关键挑战。
二、 研究背景
陶瓷中的离子键和共价键强且具有明显方向性，位错形核和运动所需应力往往高于材料的断裂应力。因此，与通过位错滑移释放应力相比，裂纹扩展在能量上更容易发生，材料通常尚未出现明显永久变形便发生灾难性断裂。
图 1 室温下测试单晶 TiO 2 和 Al 2 O 3 的表示应力 - 应变曲线（经许可，转载自参考文献 [21] ， © 2024 ）。
过去，陶瓷塑性多与高温蠕变和超塑性联系在一起：高温可增强原子扩散、位错攀移和晶界滑移，但这类机制难以直接满足室温服役需求。近年来，微纳尺度实验、原位表征、缺陷预置和界面设计等研究不断表明，部分陶瓷在室温下也可出现可测量的不可逆应变，甚至在块体或结构化陶瓷中实现非灾难性变形。
然而，不同研究的样品尺度、加载方式和 “ 塑性 ” 判据差异很大。非线性应力 — 应变曲线也可能来自微裂纹、界面脱粘或损伤累积，而非真正的晶格塑性。因此，建立统一术语、证据链和跨尺度评价框架，是该领域从现象发现走向材料设计的前提。
三、文章亮点
1. 明确区分 “ 韧性 — 塑性 — 延性 ” ： 韧性描述含裂纹材料抵抗裂纹扩展的能力；塑性强调卸载后保留的不可逆变形；延性则应建立在拉伸变形或明确的拉伸断后伸长率基础上。文章指出，压缩塑性、弯曲非线性或损伤诱导的 “ 伪延性 ” 不能直接等同于拉伸延性。
2. 构建室温塑性机制全景图： 系统归纳位错塑性、晶界滑移、孪生、应力诱导相变、非晶流动和界面滑移六类基本机制，讨论其载荷条件、尺度效应、优势与局限，并区分晶体内部产生的本征塑性与由晶界、相界和结构单元相对运动产生的外禀塑性。
3. 总结多尺度材料设计策略： 从 “ 降低位错形核势垒、提高变形协调性、抑制裂纹优先扩展 ” 出发，归纳位错播种与高温预加载、空位 / 层错 / 孪晶调控、共格界面键交换、层状与互锁结构、多相复合、非晶 — 晶体协同、纳米晶化以及电场 / 电流辅助等路线。
4. 用代表性数据展示突破边界： 综述列举多种高塑性案例：位错播种 SrTiO 3 微柱压缩塑性应变约 32% ；共格界面键交换 Si 3 N 4 纳米柱约 32% ；扭转层状 BN 块体压缩约 14% ； “ 借用位错 ”La 2 O 3 微尺度拉伸应变约 39.9% ，同时保持约 2.3 GPa 强度；高熵全陶瓷仿生网络纳米柱压缩应变约 30.8% 。
5. 建立测试与证据评价框架： 比较单轴压缩、单轴拉伸、常规压痕、纳米压痕、微柱压缩、微悬臂弯曲和原位 TEM 的适用尺度、可测物理量及误差来源，强调 “ 屈服事件 — 卸载残余应变 — 微结构机制证据 ” 的交叉验证。
6. 面向工程化提出关键问题： 指出未来重点不只是追求单次高应变，还要同步解决块体制备、尺寸放大、拉伸塑性、疲劳与循环稳定性、高温蠕变、氧化腐蚀、辐照环境适应性、批次重复性及成本控制。
四、研究结果及结论
1. 陶瓷室温塑性的物理基础
陶瓷发生塑性变形的核心竞争关系，是位错、相变或界面滑移等不可逆变形过程能否在裂纹失稳扩展之前被激活。高晶体对称性、较低晶格摩擦、充足滑移系、强约束应力状态和小尺寸效应，都有助于将失效模式从解理断裂转向稳定塑性流动。
2. 位错工程 ：把 “ 难以形核 ” 转化为 “ 可持续运动 ”
预先引入可移动位错，是降低室温塑性启动门槛的直接办法。高温预变形、机械划痕、辐照、闪烧和异质界面位错传递，可提高位错源密度并降低后续加载中的有效临界分切应力。 SrTiO 3 、 TiO 2 和 Al 2 O 3 等体系表明，位错播种或高温预加载可显著延缓脆断，并形成稳定塑性流动。
图 2 机械播种位错策略以实现 SrTiO 3 的室温塑性。（经许可，转载自参考文献 [19] ， ©2025 ）。
3. 界面与结构设计 ：让应变有路径、让裂纹被分流
共格界面可通过键交换或应变传递降低局部变形势垒；层状、扭转和三维互锁结构可借助层间滑移、弯折和界面剪切实现大变形；多相、仿生 “ 硬骨架 — 塑性网络 ” 及晶体 — 非晶复合结构则通过载荷分担、裂纹偏转、桥联和局部剪切带耗散能量，实现强度与变形能力协同。
图 3 具有高密度 α/ β 共格界面的双相 α / β -Si 3 N 4 陶瓷以实现室温塑性（经许可，转载自参考文献 [31] ， ©2022 ）。
图 4 借位错策略实现 La 2 O 3 陶瓷室温拉伸塑性（经许可，转载自参考文献 [25] ， ©2024 ）。
4. 纳米晶与外场调控 ：改变局部应力和扩散通道
纳米晶化显著提高晶界比例，使晶粒旋转、晶界滑移和部分位错活动更易发生；电场、电流等外场可改变缺陷迁移、界面黏性和局部温升，从而降低流动应力。但纳米结构和非晶界面在高温下可能出现晶粒长大、结构弛豫和蠕变加速，需要兼顾室温塑性与服役稳定性。
图 5 氧化物和非氧化陶瓷借助电场实现超塑性（经许可，转载自参考文献 [173] ， ©2025 ）。
5. 从 “ 发现塑性 ” 走向 “ 证明塑性 ”
可信的室温塑性结论应至少包含可重复的屈服或流动行为、卸载后的残余应变，以及位错运动、相变、孪生或界面滑移等直接微结构证据。对微柱、薄膜和纳米纤维所得结果，还需谨慎评估自由表面、聚焦离子束损伤、尺寸效应和应力状态对结果的影响，不能直接外推至宏观块体。
6. 工程应用前景
具备损伤容限和可变形能力的陶瓷有望用于航空发动机与热防护构件、超高温和核能系统、防护装甲、柔性电子、固态能源器件以及骨科植入物和牙科修复体。其价值在于保持陶瓷耐高温、耐磨和耐腐蚀优势的同时，通过塑性耗能降低突发失效风险。
图 6 先进结构陶瓷在航空航天工业中的应用（经许可，转载自参考文献 [215], ©2026 ）。
7. 结论与展望
室温塑性正在改变 “ 陶瓷必然脆断 ” 的传统认知，但当前高塑性结果仍大量集中于微纳尺度、压缩状态或高度定制的结构体系。下一阶段应聚焦本征可塑陶瓷成分设计、可规模化制备、宏观拉伸与循环性能、跨尺度模拟 — 实验闭环、原位定量表征及标准化测试，最终建立 “ 成分 — 缺陷 — 结构 — 机制 — 性能 — 服役 ” 的系统设计范式。
五、作者及研究团队简介
徐智通 ，男，硕士，甬江实验室先进结构陶瓷创新中心助理工程师。主要从事利用仪器化压入和划入方法表征脆性材料（如陶瓷、涂层、半导体等）的微观力学性能研究。
作者邮箱： zhitong-xu@ylab.ac.cn
作者 ORCID ： 0000-0001-9138-4123
张杰 ，男，博士，甬江实验室先进结构陶瓷创新中心研究员。主要从事高性能陶瓷材料的合成、结构调控、生长机制及性能优化研究，并拓展其在高温特种结构陶瓷、新型能源装备等领域的应用。
作者邮箱： zjzj0517@gmail.com
作者 ORCID ： 0000-0002-1452-4978
董丽然 ，女，博士，甬江实验室先进结构陶瓷创新中心研究员。主要从事室温塑性陶瓷制备及其变形机制研究，以及难熔金属材料及其增强增塑课题研究，拥有较为丰富的理论基础和实践经验 ; 在 Science, J Am Ceram Soc, Ceram Int 等期刊发表论文 17 余篇，申请中国专利 14 项 ( 授权 10 项 ) ，申请并授权国际专利 3 项。擅长粉末冶金法精准制备高性能钼合金材料、金属 - 陶瓷界面结构调控、生长机制研究及性能优化 ; 擅长金属 - 陶瓷复合材料制备、结构表征及力学性能测试分析。
作者邮箱： dongliran0602@gmail.com
作者 ORCID ： 0000-0002-3552-773X
陈克新 ，男，博士，新金属材料国家重点实验室研究员，博士生导，国务院政府特殊津贴专家。 1997 年从北京科技大学博士毕业后历任清华大学材料系讲师、副教授、教授。曾任职于国家自然科学基金委员会，现就职北京科技大学新金属材料国家重点实验室、宁波甬江实验室先进结构陶瓷创新中心主任。兼任中国硅酸盐学会副秘书长，《材料研究学报》、《硅酸盐学报》、《科学通报》、 Journal of Materiomics 等期刊编委。
作者邮箱： kxchen@ustb.edu.cn
作者 ORCID ： 0000-0002-2858-6774
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Liu M, Xu Z. Micromechanical characterization of microwave dielectric ceramic BaO–Sm 2 O 3 –5TiO 2 by indentation and scratch methods. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(6): 1136-1165. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220744
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2026 年 6 月发布的影响因子为 14 ，连续 6 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2026 年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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