陶瓷材料的内应力可以对其性能产生举足轻重的影响，但往往难以驾驭。最常见的内应力产生于陶瓷材料的高温烧结，晶粒之间以及晶粒和第二相之间的膨胀系数差异是内应力产生的主要因素。最近，东华大学江莞/范宇驰团队另辟蹊径，利用超硬纳米第二相（如纳米金刚石）和陶瓷基体之间的模量差，通过冷烧结中施加的压力方便地实现了内应力调控，为基于内应力的陶瓷性能调控铺平了道路。
该研究以常见的ZnO陶瓷为例证实了这一策略的有效性。众所周知，ZnO基压敏电阻能够提供高度非线性的电流-电压响应，有效保护电路中的电子设备免受浪涌冲击。目前，ZnO基压敏电阻往往包含超过五种以上的掺杂剂，以调节晶界处的势垒（即双肖特基势垒）。然而，这种做法不可避免地增加了微观结构的不均匀性，对陶瓷性能的稳定性和力学可靠性构成了不利影响。
为此，该研究团队通过引入预应力刚性纳米颗粒首次实现了未掺杂ZnO陶瓷中的势垒调控。与传统高温烧结过程中产生的通常较小的热应力不同，在冷烧结过程中加入超细纳米金刚石时，ZnO复相陶瓷中基体与第二相之间刚度差异产生的局部内应力可能高达1 GPa。由于预应力金刚石的存在，氧化锌的双肖特基势垒降低了28%至0.23 eV，这归因于带正电和带负电的极化对晶界的显著影响。因此，该材料能够获得26.2 V/mm的超低压敏电压和7.98的非线性系数，展现出作为低压压敏电阻的巨大潜力。此外，预应力ND纳米粒子还增强了晶界，表现出显著的裂纹尖端桥联效应，不仅使可靠性大幅提升，而且强度提升超过200%，大大超过目前已报道的第二相颗粒增强效果。本研究为设计力学性能可靠的结构-功能一体化陶瓷器件提供了一条全新的途径。
相关研究成果以“Large internal stress induced nonlinear current-voltage behavior in nanodiamond strengthened ZnO ceramics”为题，发表在国际知名期刊Nature Communications。东华大学的博士研究生颜鹏和司明明博士为论文的共同第一作者，通讯作者为范宇驰研究员，唯一通讯单位为东华大学。
1、提出了一种通过冷烧结和引入预应力刚性纳米颗粒来调节陶瓷材料内应力的新策略。与传统高温烧结产生的通常较小的热应力不同，当与超硬NDs结合时，ZnO复合材料中基体和夹杂物之间刚度差异产生的局部内应力可能高达1GPa。
2、内应力引起的ZnO晶粒产生压电极化导致双肖特基势垒降低28%至0.23eV，可以获得26.2V/mm的超低转变电压，表明作为低压压敏电阻的巨大潜力。
3、预应力ND纳米粒子增强了晶界并带来显著裂纹尖端桥接效应，使整体强度提高了238%，硬度提升70%，韦伯模数达到14.1，打破了冷烧结制备陶瓷力学性能低下的制约。
图1 传统烧结方式产生的热应力和冷烧结引起的内应力比较。
图2纳米金刚石引起的内应力在ZnO陶瓷中产生非线性电流-电压关系的机理解释。
图3纳米金刚石引发的内应力对ZnO复相陶瓷强度、硬度和可靠性的全面提升。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54279-x
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