上一文聊了一点陶瓷超塑性的背景，现在应该可以进入主题了。不过进入主题之前，还要略提一下一个简单的问题：为什么要使陶瓷具有超塑性？其实这个要怪陶瓷材料一个大难题，就是加工问题。陶瓷太硬了，也太脆弱了，所以纵然你有很好的性能，做成部件还是很难。所以陶瓷学界一个大目标就是研究可切削陶瓷，也就是使陶瓷增韧的同时也要变软，这个里面需要润滑晶界，所谓结构陶瓷里面的晶界工程了。既要晶粒之间有良好的接触，又要容易剥离分开，这真是一个很难两全其美的事情。另一个方式就是增加陶瓷的塑性，这样可以在合适的温度下像压榨钢铁一样使陶瓷成型。这就是研究超塑性陶瓷的意义。

如何把BN纳米管均匀混合到陶瓷基体里面去是一个制备科学问题。BN纳米管不‘溶’于亲水溶剂中，或者不能很好分散，所以必须第一步把它分散到乙醇中。之所以不用水做分散介质是因为水的氢键作用力很强，容易造成陶瓷粉末一次团聚，对烧结不利。我们发现聚乙烯吡咯宛酮（PVP）这个有机聚合物非常容易包裹在BN纳米管外面，这个PVP材料以前已经报道用于分散碳纳米管（一篇SCIENCE的工作），但是可能分散BN管效果更好。包裹的BN纳米管能很好地分散在乙醇中，同时PVP也可以帮助陶瓷粉体分散在乙醇中。两个分散体系混合就得到了均匀分散的复合粉体。你瞧做陶瓷的多占便宜，一大帮人在帮你思考分散的问题，而你只要借鉴过来就可以了。

图一，复合陶瓷制备工艺图

我们先用氧化铝作为研究基体材料。具体分散效果如何呢？下面的实物图可以看得很清楚。

图二

胶体溶液（图二a）还是蛮稳定，PVP也确实包裹在BN纳米管上（图二b）。烧结成瓷过后发现BN纳米管都分布在晶界处（图二c），说明低含量下BN纳米管和基体氧化铝材料并不浸润。高分辨透射电镜更清楚的看到BN和氧化铝材料的晶格像，这个说明烧结后BN纳米管并没有被破坏掉，观察BN和氧化铝的界面也没有发现第三相，说明之间化学反应并不明显，其实热力学计算也可以得到相同的结论。做出了加入BN纳米管的氧化铝多晶复合材料以后，就开始力学性能测试工作了。我重点聊聊超塑性性能的测试，要做这个测试首先要制得3X2.5X5mm³的样条，样条的6个面都需要精密抛光。这个是个累活，大概做陶瓷的都会说：我们都是吃力不讨好。是这样的，往往费了劲还没有得到好的结果。不过这次我们比较走运，让我们看看测试结果。

图三

测试简单的来说是这样，我们控制压头的行进速度，然后获得在不同时刻压头所需要的压力，这样就可以得到上面的真实应力－应变曲线。在小位移阶段，陶瓷是弹性变形阶段，经过一定的压力阈值，变形就进入塑性变形阶段了。各位注意，对于纯氧化铝多晶陶瓷，在很小位移下，压头所受压力急速变大，最后陶瓷样品碎裂（图三a）。这个是氧化铝陶瓷典型的断裂行为，也就是陶瓷一般不具有塑性的明证。但是当我们加入很少量的BN纳米管以后，陶瓷的塑性性能发生很大的改变，也就是说只要很小的力就可以使陶瓷变形而不断裂。这个结果很有意思，至少我们几个参与者使这么认为的，呵呵。

图三b更好玩，在较低的温度下如1300度复合材料的塑性性能还是比较好。显然，低温成型对于节能来说很有益处。对于纯氧化铝陶瓷来说一般在这个温度下晶界滑移翻转是不可能完成的事情！

我们还使用了氮化硅陶瓷作为基体研究，图三c给出了结果。加入少量BN纳米管的复合陶瓷（蓝线）比纯氮化硅纳米陶瓷（黑线）塑性形变优势明显，阈值应力大大降低！

继续思考一个问题：BN纳米管有这么好的作用，那么用BN粉行不行？为此我们用了纳米尺寸和微米尺寸的BN粉末作为对比，从测试结果来看，这两种粉末的加入对于氮化硅的超塑性没有任何作用！见图三c中的红线和绿线。如果把BN粉末放入氧化铝陶瓷中情况更加糟糕，更加难以烧结了！

到底发生了什么让BN纳米管发挥如此功效，继续观察测试前后样品的断面情况。

图四

俗话说，不比不知道，一比吓一跳。图四a与b是纯氧化铝陶瓷样品测试前和测试后的断裂面形貌图。图四c与d是添加BN纳米管氧化铝陶瓷样品测试前和测试后的断裂面形貌图。可以看出两大变化。其一，烧结以后，BN纳米管复合材料的晶粒已经细化（a和c图想比），而且细化的惊人！其二，高温力学测试以后，纯氧化铝晶粒粗化更加厉害（b图），但是复合材料的晶粒大部分没有变化（d图）。这两点恰好符合了陶瓷塑性的半经验公式：

这个公式说，如果要提高陶瓷的应变速率，那么就要保持小的晶粒尺寸d。而且在应变过程中这个尺寸都不能有大的变化。从这儿来解释的话，BN纳米管现在对于细化陶瓷晶粒和保持晶粒尺寸两方面上都做出了卓越贡献！

问题又出来了，那么为什么BN颗粒不能发挥同样的效果呢？看来这个一维结构还有其他的功能。我们考虑可能是BN纳米管还作为一个机械能吸收机制。这个机制在以前的研究中经常提到，如氧化锆材料就是一个很好的应变能吸收源。我们在断面BN管的微结构中也发现了管的断裂和拔出等现象。这些现象显然对应这BN纳米管吸收能量的过程。另外一方面，BN纳米管也应该存在着缓解局部应力集中的作用，应力应该能够沿着纳米管的轴向方面能够传递出去，应力集中往往是晶粒二次长大和粗化的直接原因。

这个工作里面还有很多有趣的现象可以深入的研究，如为什么纳米管能够减小同条件下陶瓷晶粒的尺寸？这还需要结合陶瓷晶粒的生长理论发展出新的模型。第二个问题就是是不是其他的一维材料也有这样的效果？是不是只有管状材料才有效？这些问题可以通过大量的实验和理论模拟来研究。当然第三个问题就是ISING所说的，这些复合材料有没有其他方面性质的改变？呵呵，给出答案只有需要大家一起的努力了。

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