通过纳米级有序高熵氧化物提升硬度和韧性的双相共晶陶瓷

《Nature Communications》：Dual-phase eutectic ceramics with improved hardness and toughness via nano-coherent high-entropy oxides

　　

摘要

基于氧化铝的共晶陶瓷具有较高的高温强度，但其固有的脆性限制了其在各种结构中的应用。在此，我们通过定向凝固法在Al₂O₃基体中引入高熵稀土铝酸盐（REAlO₃，RE = Gd_0.25Eu_0.25Nd_0.25Sm_0.25），从而打破了这一限制。所得到的双相共晶材料呈现出独特的结构：单晶Al₂O₃与双晶高熵REAlO₃相互交错，形成了纳米级的相干晶界（约57.5?nm）以及半相干相界（晶格失配度小于5.1%）。这种经过设计的微观结构及取向关系使得该材料的维氏硬度（19.4?GPa）和断裂韧性（5.5?MPa·m^1/2）得到显著提升，性能优于所有已报道的二元氧化铝基材料。这种性能的提升源于从原子级晶格畸变到纳米级相干界面的级联强化机制，同时还有通过裂纹偏转、分叉和桥接等多种方式实现的增韧效应。我们的研究为设计在极端条件下具有优异机械性能的工程陶瓷提供了高熵共晶设计策略。