晶界滑移对陶瓷高温弯曲强度的非单调温度依赖性影响机制研究

针对陶瓷材料高温强度异常波动现象，俄罗斯科学家团队通过建立晶界滑移(Grain Boundary Sliding, GBS)调控模型，揭示了GBS通过钝化裂纹尖端提升强度与诱发脆-韧转变降低强度的双重作用机制，为设计耐高温陶瓷提供了理论依据。该成果发表于《Mechanics of Materials》。

　　

在航空航天和能源装备领域，高温陶瓷材料如ZrB₂
-SiC和Al₂
O₃
因其卓越的耐热性和抗氧化性备受关注。然而这些材料在高温服役时出现令人费解的现象：部分实验显示其弯曲强度随温度升高先增强后减弱，而另一些研究则观察到单调下降趋势。这种矛盾现象背后，究竟是晶界滑移(GBS)的"修复效应"占优，还是脆性-韧性转变(Brittle-to-Ductile Transition)起主导作用？俄罗斯科学院的研究团队通过建立多尺度力学模型，首次定量解析了温度依赖的强度变化机制。

研究团队采用断裂力学与位错理论相结合的方法，重点分析了含裂纹陶瓷在热-力耦合载荷下的响应。通过建立裂纹尖端GBS区临界半径(r_GBS
^c
)与加载速率(K?_I
)的定量关系，发现当温度升至临界点T_c
时，GBS通过两种竞争机制影响强度：一方面滑移导致裂纹尖端钝化，使应力强度因子K_I
降低；另一方面过度滑移会诱发材料整体塑性变形。研究特别考察了α-Al₂
O₃
含玻璃相晶界的案例，通过设定GBS激活参数m=0.4和特征长度r_c
=2μm，成功复现了Liu等学者报道的强度峰值现象。

模型部分创新性地将裂纹建模为半轴长a=20μm的椭圆缺口，推导出裂纹尖端曲率半径ρ与GBS位移δ的解析关系。计算表明，当δ达到临界值0.5nm时，裂纹扩展阻力显著增加。在结果部分，研究定量预测了ZrB₂
-30SiC在800°C的强度峰值，这与Neuman等实验数据高度吻合。值得注意的是，模型揭示短时加载下低滑移阻力和长时加载下高滑移阻力的组合可优化材料性能，这为设计梯度晶界结构提供了新思路。

讨论部分深入比较了现有理论：与Li等提出的热失配应力松弛模型不同，本研究强调GBS动力学的主导作用。对于Feng等观察到的高熵陶瓷(Hf,Nb,Ta,Ti,Zr)B₂
在1600°C的强度倍增现象，研究认为可能是GBS诱导的微裂纹愈合与核心-壳结构协同作用的结果。结论指出，理想高温陶瓷应具备"温度自适应"的晶界特性——中温区促进局部滑移实现裂纹钝化，而高温区抑制整体滑移防止塑性失效。

这项研究的意义在于建立了GBS参数与宏观强度的定量关联，突破了传统陶瓷强度理论仅考虑裂纹扩展的局限。提出的"双临界温度"判据(T_blunting
和T_ductile
)为开发新型耐超高温陶瓷提供了理论工具，特别是对航天器热防护系统和核反应堆包壳材料的设计具有指导价值。未来研究可结合分子动力学模拟进一步揭示不同晶界化学组成对滑移激活能的影响规律。