陶瓷纳米纤维：高强度、柔韧性与室温塑性的完美融合，开启极端应用新篇章

在涉及极端机械环境的前沿技术中，传统陶瓷材料难以满足陶瓷部件对高强度、大弯曲应变及塑性变形的要求。研究人员针对陶瓷纳米纤维（CNFs）开展了晶态 / 非晶态双相结构的成核调控策略研究。结果实现了 CNFs 高强度、高柔韧性和室温塑性的非凡整合，为陶瓷材料机械设计提供了新思路。

　　在科技飞速发展的今天，众多前沿技术对材料性能提出了严苛挑战。像航空航天领域，航天器在飞行过程中会遭遇强烈的机械冲击和高频振动，这就要求其使用的陶瓷隔热材料必须具备极高的强度，还要能承受大弯曲应变和塑性变形；可传统陶瓷材料，因其固有的脆性和有限的可变形性，根本无法满足这些极端条件下的使用需求。再看可穿戴设备，在日常使用中频繁地扭转弯折，也需要陶瓷部件有出色的综合力学性能，而这恰恰是传统陶瓷的短板。所以，如何提升陶瓷材料的综合力学性能，成为了科研人员亟待攻克的难题。

为了解决这一棘手问题，东华大学和上海工程技术大学的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦于陶瓷纳米纤维（CNFs），致力于通过优化其结构来实现高强度、高柔韧性和室温塑性的完美融合。最终，研究取得了重大突破，相关成果发表在《Nature Communications》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是模板 - free 静电纺丝技术，通过精心设计配体交换分子，制备出可纺的线性颗粒溶胶（LP-sol），从而消除了传统方法中因聚合物模板分解产生的纤维缺陷。其次是界面诱导成核策略，将球形颗粒溶胶（SP-sol）和 LP-sol 结合，调控纳米晶粒的成核和生长，优化其空间分布。此外，还利用了多种表征技术，如 X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等对材料结构进行分析；采用原位拉伸和弯曲测试，结合聚焦离子束（FIB）技术，对单根 CNFs 的力学性能进行评估；运用分子动力学（MD）模拟，从理论层面探究材料的变形机制。

概念设计

研究人员构建了三种不同的晶态 / 非晶态双相（DP）CNFs 模型。Model-1 代表传统方法制备的 DP CNFs，存在结构缺陷和晶体分布不受控的问题；Model-2 消除了多尺度结构缺陷，但纳米晶粒仍有明显的局部聚集；Model-3 不仅去除了这些缺陷，还防止了纳米晶粒聚集。通过应力分析和 MD 模拟发现，Model-3 优化的结构能有效降低应力集中，充分发挥 DP 结构的协同优势，展现出卓越的强度和柔韧性，其断裂机制也与前两者不同，在拉伸模拟中，Model-3 的断裂发生在非晶区域，而 Model-2 则在纳米晶粒聚集区域断裂。

CNF 合成

针对不同模型，研究人员设计了不同的合成方法。Model-1 采用传统工艺制备，而制备 Model-2 时，通过配体交换合成 LP-sol，实现了模板 - free 静电纺丝，成功消除了纤维缺陷。在此基础上，将 SP-sol 和 LP-sol 结合，利用界面诱导成核策略合成了 Model-3。研究人员详细研究了 LP-sol 的合成过程，通过调整配体与单体的摩尔比（rm? ），控制钛醇盐的活性和聚合方式，实现了线性聚合，得到了具有良好可纺性的 LP-sol。同时，优化了二元溶胶的组成，确定了 5 wt% SP-sol 和 95 wt% LP-sol 的最佳比例，该比例下的二元溶胶具有良好的缠结松弛行为、前驱体形态和丰富的纳米团簇，且其结构和流变性能与 LP-sol 相似。

结构分析

通过一系列结构表征手段，研究人员证实成功构建了对应三种模型的 DP 结构。Model-1 表面粗糙、内部疏松，存在孔隙和缺陷，导致其比表面积大，在烧结过程中容易产生结构缺陷；Model-2 和 Model-3 结构致密，无孔隙。在晶体结构方面，Model-2 的纳米晶粒主要在表面结晶且聚集，而 Model-3 的纳米晶粒空间分布更均匀，尺寸分布也更均匀，这得益于界面诱导成核效应，该效应降低了成核活化能，优化了纳米晶粒的生长和分布，增加了内部界面，提高了非晶基质的结构连续性，降低了晶间应力集中导致的裂纹产生风险。

单纳米纤维力学

研究人员对三种模型的单根 CNFs 进行了原位力学测试。结果显示，Model-1 的性能较差，极限应力（σu? ）约为 0.16 GPa，总应变（εsum? ）约为 2.61%；Model-2 的性能有所提升，σu? 约为 0.82 GPa，εsum? 约为 7.43%；Model-3 表现最为出色，σu? 达到 1.06 GPa，εsum? 为 8.44%，远超此前报道的TiO2? 纳米纤维的性能。Model-3 还展现出非凡的塑性变形能力，弹性应变（εe? ）约为 5.34%，塑性应变（εp? ）约为 3.10%，其断裂应力（σf? ）低于σu? ，表明存在多变形机制。此外，Model-3 的柔韧性也显著优于 Model-1 和 Model-2，其临界弯曲半径（Rc? ）小于 0.47μm。这些性能的提升主要归因于多尺度缺陷的消除和 DP 结构的优化，使得 Model-3 能够充分发挥 DP 结构的协同优势，实现多种变形机制，有效吸收能量和传递载荷。

研究结论表明，研究人员成功实现了单根 CNFs 中高强度、高柔韧性和室温塑性的非凡整合。这种综合力学性能的提升源于优化的晶态 / 非晶态 DP 结构，其减少了纳米晶粒聚集，增加了内部界面，消除了纤维缺陷，有效缓解了多尺度应力集中，激活了 DP 结构的协同优势和多种变形机制。这一成果在传统陶瓷材料中是前所未有的，为 CNFs 在各种极端场景中的应用开辟了广阔前景，如机械冲击、高频振动和反复扭转等领域。同时，该研究也为 CNFs 的广泛工业化提供了重要的理论指导和技术支持，有望推动相关产业的发展。未来，研究人员还可进一步优化单根 CNFs 的力学性能，例如通过系统调控纳米晶粒的尺寸和数量，深入研究纳米晶域体积分数对 DP 结构在载荷下演变的影响；探索纳米晶区域在非晶基质中的图案化设计或有序排列，以进一步提高材料的力学强度和应变极限。