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《Advanced Materials》以“Breaking the Trade-Off Relationship Between Thermal Conductivity and Toughness of Ferroelastic Oxide Ceramics via a High-Density Dislocation Strategy”为题，提出了“铁弹畴+高密度位错”的脆性陶瓷增韧新机制。通过SPS和高温热处理在氧化物陶瓷中引入高密度位错(108~1010 mm-2)，利用原子尺度结构表征确定复合陶瓷中类共格界面的构筑，通过界面增强、铁弹畴增韧、高密度位错与裂纹耦合作用等方式有效将脆性陶瓷的韧性提高100%，构建了脆性陶瓷“铁弹畴+高密度位错”的增韧新机制。

铁弹性复合陶瓷中铁弹畴增韧及高密度位错的原子级别表征

高韧性、低热导是保障陶瓷热防护涂层材料长寿命、高隔热的核心性能指标，但是在氧化物陶瓷中其热导率与断裂韧性之间存在相互耦合限制的关系。氧化物陶瓷硬而脆，高硬度意味着高的声子传播速度，从而产生高的热导率，传统性能优化方式难以打破脆性陶瓷“高韧性-低热导率”之间的耦合限制关系。昆明理工大学陈琳、冯晶团队十余年来深耕铁弹性陶瓷热防护涂层材料领域，在本研究中通过球差矫正透射电镜原子级别表征提出了铁弹畴增韧新理论，在应力作用下铁弹畴通过偏转裂纹、畴转变、裂纹桥接等方式消耗断裂能提高断裂韧性；同时，研究团队在铁弹性陶瓷中通过引入与其具有类共格界面的增强相，并通过SPS和高温热处理的方式加速元素迁移，在晶格中引入高密度位错，在脆性陶瓷中构建了“铁弹畴+高密度位错”增韧新机制。铁弹性复合陶瓷断裂韧性最高值可达5.0 MPa·m1/2，相较于单相材料提高达100%，断裂韧性是传统YSZ材料的1.4倍。

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

此外，高密度位错能够有效散射声子降低热导率。经过高温热处理后，复合陶瓷中的高密度位错可达108~1010 mm-2，这使其成为主要的声子散射中心，有效降低复合陶瓷的热导率。高温下铁弹性复合陶瓷的热导率最低值可达1.32 W·m-1·K-1，仅仅是当前YSZ材料体系的一半。综上，研究人员创新性提出高密度位错工程是打破陶瓷“高韧性-低热导率”之间的耦合限制关系的有效方式，为高性能、长寿命陶瓷热防护涂层材控的研发奠定了坚实的理论基础和科学依据。

昆明理工大学为论文第一作者单位和通讯单位，材料学院2024届本科毕业生李柏辉、在读博士王建坤为第一作者，材料学院陈琳、冯晶教授及清华大学沈洋教授为通讯作者。本课题研究得到了国家自然科学基金、云岭学者、昆明理工大学引进高层次人才平台建设经费、云南省创新团队等项目的支持。

论文链接：http://doi.org/10.1002/adma.202523083

（供稿：材料科学与工程学院）