J. Gu, S. Fu, H. Ping, W. Ji, J. Zou, H. Wang, W. Wang, F. Zhang, H. Liu, Z. Fu. Idea of macro‐scale and micro‐scale prestressed ceramics. Interdiscip. Mater. 2024; 3(6). doi: 10.1002/idm2.12224
摘 要
1. 研究背景
结构陶瓷具有高强度、高硬度、良好的化学稳定性、卓越的耐磨性，以及较低的热导率和电导率等特性，在核工业、国防工业、化学工程、冶金工程、能源工业、生物工程等领域具有重要应用。然而，其内部的共价键与离子键也使陶瓷具有很大的脆性，限制了其进一步应用。为了提高陶瓷的韧性和强度，目前已采用了很多有效的措施，如晶粒细化、引入第二相、纤维增强、相变增韧和键转换等。预应力技术是指在材料内部预先设计压应力，以抵抗外部的载荷，可以有效地提高脆性材料的强度和韧性，目前已广泛应用于部分传统的无机材料中，例如预应力混凝土和钢化玻璃，然而该技术尚未在陶瓷中得到足够的关注与研究。
2. 预应力陶瓷技术的发展
最初预应力陶瓷的设计类似于预应力混凝土，利用钢缆对建筑陶瓷施加预应力使其保持在压缩状态，以获得更好的负载能力；随后，淬火的方式被应用于预应力陶瓷的制备，将处于高温状态下的陶瓷迅速放置于冷却介质中快速降温，形成表层压应力，其过程类似于玻璃的物理钢化；表面离子交换也被尝试应用于预应力陶瓷的制备，类似于化学钢化，陶瓷表面形成压应力层；金属包裹陶瓷是目前应用比较广泛的预应力方式，利用熔融的金属收缩对陶瓷形成压应力，能够大幅地提高抗冲击能力；表面涂覆低膨胀陶瓷涂层是近年来的一种新型预应力方式，烧结降温过程中，表层收缩较慢，基体收缩较快，从而在表面涂层中产生一定的压缩应力。
3. 预应力陶瓷的理论基础
根据Inglis的裂纹扩展理论，当裂纹尖端的临界应力大于材料理论强度时，裂纹开始扩展。本文提出：如果在裂纹尖端施加预压应力，将会抵消部分导致裂纹扩展的张应力，抑制裂纹扩展，提高材料的强度（图1）。
图1 裂纹尖端的应力：（A）常规状态，（B）预应力作用下。
4. 宏观预应力陶瓷
宏观尺度的预应力陶瓷是指陶瓷在宏观尺度受到有序预压应力的作用，图2列举了几种可以实现的宏观预应力结构，包括基元模型和组合模型，例如：叠层材料，调节不同层材料的组成、结构来实现期望的应力分布；金属陶瓷复合材料，利用金属和陶瓷之间热膨胀系数的差异，对陶瓷形成压应力；双连续复合材料，对陶瓷骨架整体形成预压应力。
图2 宏观预应力结构。
5. 微观预应力陶瓷
微观尺度的预应力陶瓷是指陶瓷在微观尺度受到有序预压应力的作用，图3列举了几种自然界已经存在以及部分可以实现的微观预应力结构，包括基元模型和组合模型，例如：胶原纤维的收缩对内部的无机颗粒产生压应力；类似于生物材料、陶瓷复合材料中颗粒对周围产生压应力；具有压应力的晶界（相）。
图3 微观预应力结构。
6. 总结与展望
预应力技术可以大幅提高陶瓷的强度、韧性以及抗冲击性能。预应力陶瓷的制备最初是模仿钢筋混凝土和钢化玻璃的加工方式，近年来则扩展到了熔融金属包覆和表面低膨胀涂层等方法。为了进一步发展预应力陶瓷并探索新材料，本研究提出了宏观尺度和微观尺度预应力陶瓷的概念：
宏观预应力陶瓷在大尺度上具有设计好的长程有序应力分布，类似于钢筋混凝土和钢化玻璃，可以直接使用机械力向陶瓷施加压缩应力，也可以通过合适的热处理或化学处理，向陶瓷施加压缩应力。
微观尺度预应力陶瓷则具有设计好的短程有序应力分布，类似于天然生物材料。微观尺度区域内的预应力具有有序的分布，但在整体上不连续。通过化学组成的调控、适当的热处理以及3D打印等方法，可以实现微观尺度的预应力陶瓷。
未来的研究还需要集中于宏观和微观尺度预应力陶瓷新结构的设计、结构成型工艺、应力分布的分析与表征及其对机械性能的影响、预应力陶瓷的断裂机制与模型、预应力陶瓷的服役性能等方面。
傅正义
中国工程院院士，世界陶瓷科学院院士，俄罗斯工程院外籍院士，美国陶瓷协会会士，欧洲陶瓷协会荣誉会士，武汉理工大学首席教授。研究方向为多功能陶瓷与陶瓷基复合材料、结构/功能一体化复合材料、新结构与新材料体系探索、原位反应合成与制备新技术、高效烧结与加工新技术、材料过程仿生制备新技术等。获得国家技术发明二等奖两项、科技进步三等奖一项、全国创新争先奖等，并获得John Jeppson Award (2020)、Ross Coffin Purdy (2019) and Samuel Geijsbeek International Award (2019)等国际学术荣誉。目前已发表论文超过500篇，授权专利超过100项。
顾俊峰
武汉理工大学博士后，研究方向为高温结构陶瓷、快速烧结、预应力陶瓷等，目前已在Sci. China-Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、J. Am. Ceram. Soc.、J. Eur. Ceram. Soc. 等期刊发表多篇论文。
Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和45位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。
· 2022年1月首发，前三年完全免费发表
· 2022年6月被DOAJ数据库收录
· 2022年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”
· 2023年7月被Ei Compendex数据库收录
· 2023年11月被ESCI数据库收录
· 影响因子：24.5
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2767441X
http://sklwut.whut.edu.cn/im/wz/
https://mc.manuscriptcentral.com/intermat
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2767-441X (online)；2767-4401 (print)
CN 42–1945/TB
