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约搏ETH单双博彩(www.eth0808.vip):陶瓷人盼望“新石器时代”的到来,旧材料将孕育怎样的新应用?

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陶瓷这种早已经被发现应用的材料,或将在未来大放异彩。


国家自然科学基金委工程与材料科学部陈克新研究员,在多年前作为一名研究生刚踏入结构陶瓷领域时,导师就向他描绘了陶瓷人的梦想——迎接“新石器时代”的到来。


那时,正值陶瓷发动机研究热潮的尾声,由于材料的可靠性问题始终难以攻克,结构陶瓷研究进入了举步维艰的地步,并逐步成为冷门方向。这些年来,结构陶瓷材料和其他传统学科一样,很难取得新的突破,研究成果也很难在顶级学术刊物上发表。


陈克新研究员说:“越来越多从事结构陶瓷研究的科研人员开始改行到其他热门领域,愿意从事本项研究的年轻人更是越来越少,令人痛心。非常期待结构陶瓷能够出现新突破,引起大家的重新审视和重视,吸引更多人从事结构陶瓷材料的研究。”


尽管在传统材料领域取得开创性成果十分困难,但一旦取得突破意义重大。值得庆幸的是,前不久陈克新和合作者的一篇“结构陶瓷论文”登上了 Science,这一好消息也将给从事传统材料研究人员注入更多信心。



陶瓷领域迎来 breakthrough,或改变千百年来的固有认知


在该研究中,陈克新带领合作者解决了氮化硅陶瓷室温脆性这一久未攻克的世界性难题,实现了陶瓷强度和塑性的优异结合与跨越提升,有望改变千百年来陶瓷不能发生室温塑性变形的固有认知。


陈克新


在共价键氮化硅陶瓷材料中,他和合作者设计了一种共格界面,通过“共价键断裂-旋转-再键合”的方式,来实现类似金属中的位错运动。


结果发现,氮化硅陶瓷表现出高达 20% 的室温压缩塑性形变,创下了最新纪录。同时,压缩强度提高了 2.3 倍(约 11GPa)。


陈克新表示:“我们此次解决的陶瓷脆性问题,是一个从陶瓷诞生以来就一直困扰着国内外学者数百年的问题。”


其所设计的共格界面以及“共价键断裂-旋转-再键合”的新思想,在陶瓷材料特别是具有最强键合的共价键陶瓷中为首次报道。


“我认为这将会为解决陶瓷脆性问题开辟一条新的道路,也会给人们带来新的认知。另外,我们在研究中发现氮化硅中外力驱动的 β→α 逆相变,也同样是首次报道的一个全新现象。”陈克新表示。


近日,相关论文以《基于共格界面键切换机制实现氮化硅陶瓷塑性变形》(Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces)为题发表在 Science 上,张杰为论文的第一作者,陈克新为唯一通讯作者,中国科学院物理研究所杜世萱研究员为主要合作作者。



审稿人认为该工作“is a new and exciting work”,对陶瓷领域是一个“breakthrough”。“因为审稿人非常正面的评价,这个工作从审稿到接受的整个过程都非常顺利。”陈克新补充称。


陶瓷:“我能登上春晚,更能登上 Science”


“素胚勾勒出青花笔锋浓转淡,瓶身描绘的牡丹......”,这首曾登上春晚的中国风流行歌曲《青花瓷》,至今仍在传唱。瓷器与陶器的统称叫——陶瓷,它不仅可以登上春晚,更可以登上 Science。在科学家眼中,陶瓷更多是一种材料、一个研究对象。


材料是人类文明的物质基础,是直接推动社会发展的动力。某一种新材料的问世及其应用,往往会引起人类社会的重大变革。例如,石器时代、青铜器时代和铁器时代等皆由人类当时所常用的材料来命名。


约在商朝中期,早期瓷器已经出现。几千年来,尽管人们更多把陶瓷作为家庭用具或摆件,但其化学组成蕴含着另一个“小世界”。


先进陶瓷材料作为材料家族中一员,因具有强度高、密度低、硬度大、耐高温、耐磨损等优异特性,在航天航空、国防、能源、医疗等领域发挥着不可取代的作用。


然而,要想提高材料的强度,往往会导致塑性的降低。反过来,高塑性的材料,其强度往往很低。长期以来,这种强度和塑性的 “倒置关系”,成为材料领域的重大科学难题。


脆性,既是陶瓷的基本特征,也是其致命弱点。根源在于,陶瓷内部极强的原子键合和复杂的晶体结构,导致它缺乏独立的滑移系。


因此,当陶瓷材料面对应力作用时,它很难像金属材料那样形成位错滑移机制而发生塑性变形。所以,陶瓷材料在室温下塑性几乎为零、极易断裂破碎、可靠性差。


可以说,陶瓷的脆性一直都是限制其自身应用的关键因素,也是诸多尖端领域发展的重大瓶颈。同时,针对陶瓷增韧和塑性的研究,也是领域内的核心内容和重要前沿,也是难度最大、最具挑战性的课题之一。


以往,众多国内外科研机构都在这一领域开展了持续性研究。几十年来,通过纤维增韧、相变增韧、层状结构增韧等手段,建立了相应的能量损耗机制,阻碍裂纹的扩展,在一定程度上改善了陶瓷的强韧化性能。


然而,这些增韧手段并未改变陶瓷脆性的结构本质,不能从根本上避免裂纹的萌生与扩展。


以目前研究最多的 SiCf/SiC 陶瓷复合材料为例:虽然相比普通陶瓷,其韧性有所改善,但是应变依然很低,断裂前应变不到 1%。并且由于浸渗工艺的限制、难以完全致密,陶瓷强度也会明显下降,这种以牺牲强度为代价换来的高韧性,并非理想的解决方案。只有让陶瓷具备了塑性,才有望从根本上解决陶瓷的可靠性问题。然而,经过几代陶瓷学家的努力,陶瓷的室温塑性研究仍未取得实质性突破,而此次陈克新的研究成果终于打破了这一局面。


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陶瓷迭代产品优 潜力无限好


目前应用广泛的绝缘陶瓷基板主要是氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板、氮化硼陶瓷基板、氧化铍陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板五种。


氧化铝陶瓷基板虽然导热性差,骤冷骤热循环次数仅仅200余次,跟不上大功率半导体的发展,但其制造工艺成熟且成本低廉,在中低端领域仍有较大的市场需求。


目前常用的氧化铝陶瓷基板材料包括:陶瓷基板,玻璃陶瓷基板、金刚石、树脂基板、硅基板、金属或金属复合材料等。其中,陶瓷因其绝缘性好、化学性能稳定、导热率高、高频特性好而备受关注。


氮化铝陶瓷基板的导热性最好,且与半导体材料有很好的匹配性,可用于高端行业,但是氮化铝陶瓷基板机械性能和抗热震性能差,影响半导体器件可靠性,使用成本较高。


氮化硼陶瓷基板可以在非常高的温度下保持很高的化学和机械稳定性,同时BN陶瓷的热导率与常温不锈钢相当,介电性能好。BN比大多数陶瓷脆性好,热膨胀系数小,抗热震性强,能承受1500℃以上温差的急剧变化。但立方BN太贵,不能用于生产高导热陶瓷材料。热膨胀系数与硅的不匹配也限制了它的应用。


氧化铍陶瓷基板导热性好,在高温、高频下,介电性能好,耐热性好,化学稳定性好耐热冲击性好。但是氧化铍致命的缺点是其粉末的极端毒性,长期吸入氧化铍粉尘会引起中毒甚至危及生命,还会造成环境污染,极大地影响氧化铍陶瓷基板的生产和应用。另外,氧化铍生产成本高,限制了其生产和应用。


而圆环生产的氮化硅陶瓷基板具有优异的导热性、高机械强度、低膨胀系数,氮化硅抗氧化性好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等许多优良性能。它的理论热导率高达400W/(m.k),热膨胀系数约为3.0x10-6℃,与Si、SiC、GaAs等材料具有良好的匹配性,使氮化硅陶瓷基板成为非常有吸引力的高强度高导热电子器件基板材料。


在氧化铝陶瓷基板、氮化铝基板、氮化硼基板、氧化铍基板和氮化硅基板五种常用的陶瓷基板中,氮化硅陶瓷基板各方面性能比较均衡,特别是氮化硅陶瓷基板优良的力学性能和良好的高导热潜质可以弥补现有其他陶瓷基板材料的不足,是综合性能最好的结构陶瓷材料,随着应用市场不断扩大生产成本不断降低,高导热氮化硅陶瓷基板将是电路陶瓷基板理想的迭代产品。因此,氮化硅陶瓷基板在智能信息时代大功率第三代半导体器件的配套材料具有无限潜力。


材料科学家的梦想:实现陶瓷材料的室温塑性


据介绍,该研究是在完全没有争取项目经费、发表论文、申请人才计划等压力的状态下完成的,是由兴趣驱动、慢慢思考逐步完成的。


陈克新说:“最初想法始于二十年前,可谓是『十年磨一剑』。我在饭后散步等比较安静的时候喜欢思考一些学术上的问题。对于无机非金属学科结构陶瓷材料来说,最为关键和最具挑战性的问题就是陶瓷的可靠性问题。”


他发现,虽然陶瓷具有强度高、耐腐蚀、耐高温等优点,但由于缺乏塑性变形,导致其可靠性低,从而限制了结构陶瓷的应用范围。


可以说,实现陶瓷材料的室温塑性是所有材料科学家的梦想。研究伊始,犹如在黑暗中摸索,走了不少弯路。后来逐渐抓住问题的关键,即如何在共价键陶瓷材料中实现类似金属材料的位错滑移。


为此,他们设计了 α/β 氮化硅共晶结构,在外力作用下,幸运地通过 Si-N 键的旋转滑移实现了陶瓷的塑性变形,同时由于在外力驱动的相变过程中产生远小于 10 纳米 β 氮化硅,通过霍尔佩奇效应和量子限域效应使材料的强度也大幅提高。


“回顾整个研究过程,我认为克服急功近利的浮躁情绪,由兴趣驱动的长期坚持,甘于坐冷板凳,才更容易做出具有开创性的研究成果。”陈克新说。



应用前景:有望助力解决飞机“心脏病”等难题


面向未来,陈克新最希望的是这项成果可以走向应用,而非仅仅停留在论文里。因此,他们计划制备出致密的宏观块材。另外,也期望实现氮化硅的室温拉伸塑性,目前已经有了初步进展。


除此之外,他和合作者也会探索这种结构设计、是否能推广到除氮化硅以外的其他陶瓷材料中。目前的调研发现,很多陶瓷材料也具备实现这种结构的基础与条件。


如能实现陶瓷塑性,必将引发众多领域的“技术革命”,给人类社会的发展提供强大的推动力,并为相关产业带来新的发展契机。


具体举例说明如下:


一、航空发动机是飞机的心脏,是国家重要的战略基础性产业,中国飞机的“心脏病”问题已引起国家高度重视。发动机性能在很大程度上取决于热端部件所用材料。新的高强超塑氮化硅陶瓷,使用温度比高温合金提高至少 100℃,密度约为高温合金的 1/3。因此,高强超塑氮化硅陶瓷的出现,有望突破航空发动机核心部件的材料瓶颈,有效提高推重比、燃油效率、安全性,实现航空发动机的跨越式发展,成为航空强国竞争的新制高点。


二、随着中国航天事业蓬勃发展,空间碎片已成为影响航天器寿命、可靠性和稳定度的重要因素,空间碎片防护问题一直受到国家高度重视。追求轻质、高抗撞击能力的先进防护材料是空间碎片防护的永恒主题。与目前采用的铝板 Nextel 纤维布、Kevlar 纤维布等防护材料相比,高强超塑氮化硅陶瓷具有更高的模量、硬度和抗压强度,有望显著提升防护效果。采用高强超塑氮化硅陶瓷,结合先进的结构设计,将有效增强抵御空间碎片撞击的能力,为航天器保驾护航。


三、加快发展风力发电等绿色能源,是推进能源革命和构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的重大举措。近年来,中国风电装机规模增长迅速,连续 12 年保持世界第一。风机主轴轴承是风力发电机的核心部件,对风力发电成本具有决定性影响。与钢质轴承球相比,采用高强超塑氮化硅陶瓷制成的轴承球,具有密度低、模量高、耐高温、耐腐蚀、电绝缘、自润滑等突出优点,寿命可大幅度提升。这对于降低风电成本、推动风电产业快速发展,具有重要的现实意义。


四、硬骨组织植入是全球行业规模最大、附加值最高、成长速度最快的医疗器械领域之一,其中占比最大的是人工关节。磨损是影响人工关节使用寿命的主要因素。与金属和高分子材料相比,陶瓷具有优异的耐磨性,能有效减少磨损。


但是,陶瓷存在脆性断裂风险,在临床中备受诟病。高强超塑氮化硅陶瓷,由于具备室温塑性,可大幅提高陶瓷人工关节的可靠性,极大推动陶瓷人工关节的推广应用。


除了上述应用领域,在火箭尾喷管、导 弹天线罩、坦克和汽车发动机、舰船燃气轮机动力装置、核电主泵密封环、高铁和电动汽车用功率半导体器件等众多领域,高强超塑的氮化硅陶瓷都有广阔的应用前景,未来可期。




来源:中国工程科技知识中心,极客全景,展至科技

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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