硬质合金作为陶瓷基复合材料，通常具有较低的断裂韧性，在不牺牲其硬度的前提下提高这类材料的断裂韧性是制备高性能硬质合金的关键挑战。为了克服陶瓷基复合材料断裂韧性较低的缺点，研究人员通过优化添加组元和调控微观组织的方法设计陶瓷-金属复合材料。虽然陶瓷-金属复合材料双相构型的概念很简单，但是断裂韧性和硬度之间的相互制约关系几乎是不可避免的。相界面区域的位错堆积导致局部应力集中和裂纹萌生，造成陶瓷-金属复合材料在远低于其理论强度时即过早失效。
最近，北京工业大学在高断裂韧性硬质合金材料设计研制方面取得重要进展，提出了一种通过调节相界区域的应变分配和应力分布来增韧陶瓷基复合材料的新方法，相关研究工作以“Toughening Ceramic-Based Composites by Homogenizing the Lattice Strain at Phase Boundaries”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊。论文第一作者为研究生姜文涛，吕皓副教授和宋晓艳教授为共同通讯作者。
基于马氏体相变的特殊原子点阵集体切变变形机制，本文提出了利用“相界区域晶格应变均匀化”的方法来提高陶瓷基复合材料断裂韧性的新概念。在传统的陶瓷-金属复合材料中，金属相主要通过位错滑移发生塑性变形，位错高度局域的点阵变形容易在金属/陶瓷相界面区域引发原子尺度上较大的应变失配。为了补偿两相之间的应变失配，必须激活陶瓷相中的位错以维持相界面结构的连续性。复合材料变形过程中不断发生的位错增殖会在相界面区域产生较大的非弹性应变，位错堆积产生应力集中，由此导致相界面区域或脆性陶瓷相的过早失效，从而阻止了陶瓷相继续发生变形来提高复合材料的塑性和断裂韧性。相反，马氏体相变对塑性变形的贡献与位错运动的机制不同，马氏体相变是一种具有均匀晶格应变的原子集体切变过程，这意味着应力沿相界面区域在原子水平上可以均匀地在相邻两相之间传递，而避免产生应力集中。在相界面区域，相比于位错的高度局域晶格应变，马氏体相变的均匀晶格应变更容易协调两相之间的变形，这有助于在陶瓷相晶粒中获得更大的应变，从而提高陶瓷-金属复合材料的断裂韧性。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c00251
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