硬、脆是陶瓷典型特征，在大多应用中“硬”是优点，“脆”是缺点。脆性材料往往突然失效（碎裂、崩角），由此导致的不可靠，难加工等问题尤其限制了先进陶瓷的应用空间和价值。8月初，美国国防部高级研究计划局（DARPA）的INTACT（低成本高韧性陶瓷）计划内容更新，显示将通过冷喷涂加工（CSP）技术来实现陶瓷增韧。

金属材料普遍具备较高韧性，主要因为金属键无方向性，原子滑移后瞬间就会重建键合。而陶瓷脆性根源在于共价键强方向性，所以其在遭遇微米级缺陷也无法通过位错增殖形成塑性缓冲，往往发生灾难性失效。通过人工引入位错，形成类似金属的变形机制就成了先进陶瓷突破脆性限制的有效方案。

冷喷涂工艺示意图（图源：phillips）

冷喷涂加工（Cold Spray Processing, CSP）最早在1980年代开发出来，它利用加压气体（如空气、氮气或氦气）在高温下作为推进气体，通过特殊设计的喷嘴将金属或陶瓷粉末加速到300-1200m/s的速度。当这些高速粉末颗粒撞击基底表面时，它们经历严重塑性变形后沉积形成涂层或块体沉积物。

与热喷涂相比，CSP不仅可以避免高温可能导致的分解、氧化以及晶粒粗化等问题，而且高速撞击产生的剪切应力超过陶瓷的屈服强度，迫使晶格滑移，形成位错缠结网络，而高位错区形成局部残余压应力场，迫使微裂纹绕行或分叉，消耗断裂能，从而实现陶瓷增韧。

即便上述理论支撑冷喷涂技术用于陶瓷增韧，但实际挑战仍然很多。比如陶瓷颗粒的临界沉积速度极高，界面结合强度与冶金结合无法相比，陶瓷粉体的粒度粒形对沉积影响极大，工艺可控性较差……

冷喷涂修复前后对比

美国推动的这项为期两年的项目，汇集了大学和工业合作伙伴，由明尼苏达大学David Poerschke教授领衔，集结高校与工业界合作团队。佛罗里达国际大学（Tanaji Paul教授主导）、弗吉尼亚联邦大学（Arvind Agarwal教授）、Solvus Global（Pin Lu博士与Victor Champagne博士）负责冷喷涂工艺开发与规模化应用，伊利诺伊大学芝加哥分校团队（Matthew Daly教授）专注断裂行为与位错稳定性研究。Citrine Informatics（James Saal博士）将发挥关键作用，利用现有金属冷喷涂机器学习模型进行参数建模和优化。

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