键切换可以防止硬陶瓷在应力作用下开裂

中国的研究人员发明了一种双相陶瓷，这种陶瓷在压缩时不会开裂，而是会变形。研究小组认为，在逐渐相变过程中，氮化硅通过键切换吸收应力的技术，有可能应用于其他由共价键制成的硬陶瓷。

像氮化硅这样的共价陶瓷是工程中最坚固、最坚硬的材料之一，因为刚性的化学键网络将结构固定在适当的位置。然而，这也往往使它们变脆，因为它们不容易通过变形吸收能量。陶瓷，如用于牙科的二氧化锆，可以通过微观结构转变显示出轻微的可塑性。然而，二氧化锆被认为是一种离子化合物——当施加压力时，它的原子平面可以彼此滑过。这在共价陶瓷中是不可能的。

但可馨陈和北京清华大学的同事们发现了一种将氮化硅纳米柱的断裂强度提高一倍的方法。氮化硅(Si_3.N₄)用于从切割工具到詹姆斯·韦伯太空望远镜上的微型快门．它有两个晶型，α和β。传统的烧结工艺几乎可以形成纯的β-Si_3.N₄晶体。然而，研究人员设计了一种低温烧结方案，可以生产出每个晶粒都含有α和β区域的陶瓷。

当压缩时，晶粒发生向α-Si的相变_3.N₄，释放键中储存的应变能。这是通过键断裂和界面上立即和永久的再结合的过程发生的，研究人员称之为键转换。

研究人员认为，可变形的氮化硅可以应用于防弹装甲、发动机部件和人工髋关节等领域。此外，他们指出，其他陶瓷，如超硬碳化硅，具有多个多晶型，因此可能通过相同的机制增韧。

材料科学家说:“从科学上讲，这非常有趣:我认为我以前从未在这类材料中见过这样的东西。Nitin Padture美国罗得岛州布朗大学教授。然而，他指出，材料在拉伸时比压缩时更弱，因为当裂纹开始出现时，它们会被拉开，并在整个材料中传播。他说，陶瓷制品的致命弱点其实是抗张力的韧性。他认为，双相陶瓷也应该在张力下进行测试，而不仅仅是通过引入裂纹来压缩。“我敢打赌，如果没有证据表明裂纹尖端前发生了这种边界运动，就会发生断裂。”

然而，Padture确实认为键切换可以提高其他陶瓷的抗拉性，在这些陶瓷中原子可以在较低的应变下重新排列——但不包括像碳化硅这样的超硬陶瓷，其中的键比氮化硅更坚硬。