高压扭转技术实现陶瓷材料的剧烈塑性变形：原理与应用研究进展

这篇综述系统阐述了高压扭转（HPT）技术在陶瓷材料剧烈塑性变形（SPD）中的突破性应用。文章聚焦传统陶瓷（如氧化物、碳化物）和先进陶瓷（如硅、钙钛矿），深入分析HPT诱导的相变、纳米晶/缺陷（空位、位错）生成机制，并总结其在光催化（染料降解、CO2转化）、热电性能、锂离子电池离子电导率等领域的应用潜力，为开发新型功能陶瓷提供理论支撑。

　　

陶瓷塑性变形的挑战与机遇

陶瓷材料因共价键/离子键特性，在常温下通常表现为脆性。尽管高温下可通过位错滑移或晶界滑动实现塑性变形，但常温变形仍是重大挑战。高压扭转（HPT）技术通过施加吉帕级高压和剪切应变，为陶瓷的剧烈塑性变形（SPD）开辟了新途径。

高压扭转的独特机制

HPT的核心优势在于其结合了静水压力与剪切应变：高压抑制裂纹扩展，而剪切应变驱动位错运动。这一协同作用使陶瓷在常温下实现超细晶粒（<100 nm）和超高密度缺陷（位错密度达10¹⁵ m^-2）。例如，氧化锆（ZrO₂）通过HPT处理后，晶粒尺寸从微米级降至25 nm，同时伴随单斜相向四方相的转变。

相变与缺陷工程

HPT可诱导常规条件下难以实现的相变：

1. 1.

   稳定相→亚稳相：如Y₂O₃在剪切应变下形成高压单斜相，其稳定性与晶粒尺寸呈反比（临界尺寸<20 nm）。

2. 2.

   化学还原效应：HPT处理Bi₂O₃时，可生成金属铋和氧空位，使材料呈现黑色并提升光吸收率。

3. 3.

   空位调控：TiO₂经HPT后氧空位浓度增加，带隙从3.2 eV降至2.4 eV，可见光催化活性显著增强。

性能突破与应用场景

1. 1.

   光催化：黑化处理的TiO₂-II相较未处理样品，CO₂转化效率提升300%；高熵氧化物TiZrHfNbTaO₁₁在可见光下产氢速率达传统催化剂的5倍。

2. 2.

   热电材料：HPT处理的Ba₈Cu_3.5In_1.5Ge₄₁笼形物，ZT值提升35%（670 K时），归因于位错对热导率的抑制。

3. 3.

   介电性能：BaTiO₃经5圈HPT后介电常数超5000，优于传统烧结工艺。

新型陶瓷的合成

1. 1.

   高熵陶瓷：通过HPT机械合金化结合氧化/氮化，成功合成TiZrHfNbTaO₆N₃等五元体系，其混熵>1.5R，表现出卓越的光稳定性。

2. 2.

   黑色氧化物：Al₂O₃经HPT后带隙从5.7 eV骤降至2.5 eV，实现从绝缘体到半导体的转变。

未来展望

当前研究需结合原位表征（如同步辐射XRD）揭示应变-相变动力学，并探索机器学习辅助设计高熵陶瓷组分。环境应用（如微塑料降解）和生物医学（骨植入材料）将是重要拓展方向。HPT技术为陶瓷材料的“缺陷即功能”设计提供了全新范式。