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在航空航天、能源动力等领域，陶瓷热防护材料是守护设备在极端高温下稳定工作的“耐高温铠甲”。但长期以来，这类材料一直面临一个棘手的困境：想让它隔热效果好、热导率低，它就会变得又脆又容易裂；想让它结实耐摔韧性高，隔热能力又会大打折扣。这种“顾此失彼”的矛盾，严重限制其在高端装备上的应用。
近日，昆明理工大学材料科学与工程学院、金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心陈琳、冯晶团队，在国际顶刊《先进材料》发表重要成果，用“高密度位错工程”这一创新方法，成功打破了这个困扰行业多年的“死循环”，让陶瓷材料实现了“又硬又韧还隔热”的突破。
晶格匹配型铁弹性钇钽酸盐/三钇钽酸盐复合陶瓷的设计与合成示意图
给陶瓷加“双重防护”，抗裂又隔热
“陶瓷材料之所以‘脆’，核心是其内部的原子结合方式像‘刚性骨架’，一旦受到外力冲击就容易断裂。”昆明理工大学材料科学与工程学院院长冯晶教授介绍，陶瓷材料的隔热效果，关键看热量的“传递小使者”——声子，也可以理解为这种材料里传递热量的“小精灵”，能否在材料里顺利“跑”起来。
以前，要是用传统方法去优化其中一项性能，总会牺牲另一项，比如给陶瓷造些孔隙来阻挡声子，让隔热更好，可材料强度会直接下降；想让晶粒结合更紧密来提升韧性，声子又能跑得更快，隔热效果就变差了。
“昆明理工大学团队深耕这个领域十余年，终于找到了解决方案。”冯晶说，他们给陶瓷打造“铁弹畴+高密度位错”的双重防护，设计出钇钽酸盐及三钇钽酸盐复合陶瓷。这两种成分的原子排列高度匹配，就像拼图一样严丝合缝，让陶瓷内部结构更稳固。当材料受到外力时，内部的“铁弹畴”会像“缓冲器”一样发挥作用——要么让裂纹改变方向绕着走，要么通过自身结构转变吸收冲击力，还能形成“裂纹桥”拉住断裂处，大大减少断裂风险。
为了让防护效果更上一层楼，研究团队采用“放电等离子烧结+高温热处理”的特殊工艺，在陶瓷内部制造出大量“高密度位错”，也就是原子排列时故意留出的“小错位”，如同在整齐的队伍里设置的“减速带”。这些位错密度高达每平方毫米10亿到100亿个，是普通陶瓷的上千倍。它们一方面能挡住裂纹扩展，让陶瓷更耐摔；另一方面还能和晶体内部形成的自发应变小区域“铁弹畴”配合，形成双重抗裂屏障。从而，使这款复合陶瓷的断裂韧性提升了一倍多，比传统常用的热防护陶瓷结实1.4倍，彻底摆脱了“一摔就碎”的毛病。
高密度位错工程突破脆性陶瓷“高韧性-低热导率”之间的耦合限制关系示意图
陶瓷隔热结实翻倍，应用前景广阔
更让人意外的是，这些“高密度位错”不仅让陶瓷更坚韧，还让它的隔热能力实现了质的飞跃。
“声子这个‘热量小使者’在陶瓷里传递热量时，遇到密密麻麻的位错就像走迷宫一样，不断被阻挡、散射，根本跑不快。”昆明理工大学材料科学与工程学院特聘教授陈琳说，这种位错，还会让陶瓷内部的原子排列产生微小“变形”，进一步拦住声子的传播路径，热量自然就很难传递出去了。
实验数据显示，经过特殊处理后的复合陶瓷，在900℃的高温环境下，热导率最低相当于传统主流热防护陶瓷的一半。这意味着，它能像“隔热棉被”一样牢牢锁住热量，同时又能像“坚固铠甲”一样抵抗冲击。
这种“又韧又隔热”的效果，全靠团队对陶瓷微观结构的精准调控：原子级别的紧密结合保证了结构稳定，铁弹畴提供了基础抗裂能力，高密度位错则同时搞定了“抗裂升级”和“隔热强化”，三者联手破解了多年的行业难题。
“这项成果的核心亮点，是提出了‘高密度位错工程’这一通用方法，给脆性陶瓷的性能优化提供了新思路。”论文通讯作者、参与合作研究的清华大学教授沈洋介绍，未来，这款新型陶瓷材料有望广泛应用在航空发动机的耐高温涂层、高超音速飞行器的隔热部件上，让这些高端装备能在更极端的环境下稳定工作，使用寿命大幅提升。同时，这种“微观结构调控”的思路，也能为其他功能陶瓷的优化提供参考，不管是工业设备还是日常用品，都能从中受益，具有重要的实用价值。
（受访者供图）
本文链接：http://knowith.com/news-1-14241.html如何让陶瓷“又硬又韧还隔热”，这个世界级材料难题得以破解
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