问题——低温下陶瓷脆性制约可靠性提升 陶瓷材料因其压电、铁弹、超导和磁性等功能特性，在航空航天、深冷装备、精密传感及能源等领域具有广泛应用前景。然而，陶瓷的脆性断裂问题限制了其可靠性——尤其在低温环境下——裂纹扩展速度加快，抗冲击能力显著下降。随着深空探测、液氢液氧储运及极地工程等需求增长，如何提升陶瓷在极寒环境中的抗裂性能成为材料科学领域的关键挑战。 原因——传统增韧方法在宽温域效果有限 目前，提高陶瓷韧性主要依赖晶粒细化、引入第二相或相变增韧等方法。但这些方法在某些体系中可能导致制备复杂、成本增加或性能波动，且许多增韧机制在温度剧烈变化时难以保持稳定。例如，部分材料在室温下表现良好，但在低温环境下性能骤降。因此，如何在宽温域内持续抑制裂纹扩展，成为解决低温脆性的核心难题。 影响——极端环境对陶瓷性能提出更高要求 低温脆裂不仅威胁结构安全，还会影响功能器件的稳定性。以压电和铁弹陶瓷为例，在低温振动、冲击或热循环条件下，微裂纹容易产生并导致性能衰减甚至失效。在高端应用场景中，材料不仅需要高硬度，还需兼具韧性和稳定性。因此，开发适用于极端环境的宽温域增韧技术具有重要的产业价值。 对策——“再入型应变玻璃”实现低温增韧 西安交通大学物理学院方敏侠助理教授与金属材料强度国家重点实验室纪元超副教授团队近期在CaTiO₃陶瓷中提出“再入型应变玻璃”设计。该材料在较高温度下呈现马氏体相，低温时转变为应变玻璃态，并可在一定条件下可逆切换。实验表明，该机制在+50℃至-150℃范围内有效，使陶瓷在深冷条件下仍保持较高韧性。材料断裂韧性从室温的1.9 MPa·m¹⁄₂提升至-150℃的4.8 MPa·m¹⁄₂，接近部分商用韧性氧化物陶瓷水平。对应的成果以《Toughening Ceramics down to Cryogenic Temperatures by Reentrant Strain-Glass Transition》为题发表于《物理学快报》。 机理分析显示，“再入型应变玻璃纳米马氏体畴”在外力作用下发生长程转变，为裂纹尖端提供能量耗散通道。这些纳米结构单元如同“微型缓冲区”，通过局部相变和结构重排吸收能量，延缓裂纹扩展。与传统增韧方法不同，该技术通过成分调控激发材料内在转变，有望降低工艺复杂度并提高性能一致性。 前景——为多类功能陶瓷提供宽温域解决方案 业内专家认为，若“再入型应变玻璃”机制能在更多陶瓷体系中验证，将为铁弹、压电乃至超导陶瓷的低温可靠性提升提供新思路。未来研究需重点关注：1）评估材料在热循环、辐照及长期载荷下的稳定性；2）优化成分控制与烧结工艺，实现规模化制备；3）在深冷阀门密封、低温传感器封装及航天器部件等场景开展应用验证。随着极端环境需求增长，兼具低成本、可制造性与宽温域可靠性的增韧技术将受到更多关注。
从敦煌彩绘陶器到现代航天耐热陶瓷，中国对陶瓷材料的探索已延续千年。西安交大此突破不仅标志着我国在尖端材料领域的重要进展，更说明了基础研究对技术革新的支撑作用。随着新材料研发体系健全，中国智造正为全球工业发展贡献创新力量。