8月11日，德克萨斯农工大学、得克萨斯州州立大学、法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学等机构的联合研究团队在Science Advances发表题为“碳化物陶瓷的室温裂纹愈合”的研究成果。该研究探索了一条新的陶瓷增强机制，以期能够克服陶瓷材料的灾难性断裂固疾。

缺乏能够承受极端环境的材料，这往往给开发和部署一系列下一代技术（如高效喷气发动机、高超音速飞行和更安全的核反应堆）带来了最大的技术障碍。虽然陶瓷材料在高温和恶劣环境下具有优异的化学和结构稳定性，但与金属材料相比，其塑性变形能力和损伤容限不足严重限制了其适用性，特别是在室温下，陶瓷材料很容易在裂纹尖端发生粘结断裂而发生灾难性断裂。

传统的解决方法依赖于微观结构的陶瓷增韧机制，如裂纹偏转、裂纹桥接、微裂纹和应力诱导相变。此外，提高损伤容限的探索还包括开发具有层次结构的自然启发陶瓷基（混合）材料，这种材料可以触发多种增韧机制的组合。即便如此，研究团队认为在裂纹扩展过程中激活增韧机制可以推迟灾难性断裂，但更有效的增韧机制是在裂纹形成时愈合。

众所周知的是，裂缝愈合需要材料局部流动，通过物理或化学相互作用来闭合和愈合裂缝，目前在此方面受益最大的材料是聚合物和聚合物复合材料以及凝胶材料，陶瓷材料在这方面的成功经验非常有限，并且陶瓷的裂纹愈合很少自主进行，主要是通过加入添加剂，在高温高温下进行，还有极少数情况下，陶瓷材料的自动愈合是通过高温氧化来实现，但高温氧化修复裂纹存在很大的局限性——它至少要求氧化相的存在、裂纹表面对氧化环境的可接近性以及氧化皮与裂纹表面的良好粘附性。此外，某些微观结构特征（如晶界）的选择性氧化可导致应力集中部位，而材料与裂纹愈合氧化物之间的热膨胀失配可导致热循环过程中的裂纹萌生。

Cr₂AlC单晶样品的实验装置及流程示意

研究人员发现和证明了在室温下，晶体原子层状陶瓷材料的裂纹愈合是可能的。比如MAX相材料（M是早期过渡金属，A主要是组13到16的元素，X是碳或氮），大量研究表明，多晶MAX相中的几个单独晶粒在各种外部载荷条件下（如拉伸、压缩、蠕变、疲劳和冲击）容易发生扭结，扭结会导致称为“扭结带”的带中的局部塑性变形，其中材料的微观结构或晶体学方向从未连接区域错位。在多晶MAX相中，扭结通过裂纹桥联限制了弱结合面上裂纹的快速扩展，并决定其非常规损伤容限，研究人员发现，在最大相位扭结愈合裂纹形成揭示了一个事实：这是一个超乎想象的强有力的陶瓷增韧机制。

扭结并不是MAX相所独有的，在许多其他原子层状陶瓷材料中也有，比如六方碳化物、氮化硼、层状硼化物、石墨等。因此，理论上扭结诱导的裂纹愈合可以更广泛的应用受到其损伤容限差和沿弱结合面开裂倾向的限制。

编译 YUXI