如何让陶瓷“又硬又韧欧义还隔热”，这个世界级材料难题得以破解

在航空航天、何让还隔能源动力等领域，陶瓷题陶瓷热防护材料是又硬又韧欧义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，世界这类材料一直面临一个棘手的料难困境：想让它隔热效果好、热导率低，破解它就会变得又脆又容易裂；想让它结实耐摔韧性高，何让还隔隔热能力又会大打折扣。陶瓷题这种“顾此失彼”的又硬又韧矛盾，严重限制其在高端装备上的世界应用。

近日，料难昆明理工大学材料科学与工程学院、破解欧义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、何让还隔冯晶团队，陶瓷题在国际顶刊《先进材料》发表重要成果，又硬又韧用“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。

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。

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）

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