陶瓷材料凭借其高硬度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在航空航天热障涂层、高温结构件、电力电子封装等领域有着不可替代的应用价值。然而，与生俱来的室温脆性和高温软化问题，一直是制约其作为高性能结构材料广泛应用的核心瓶颈。

近日，美国普渡大学汪海燕教授团队在材料领域顶级期刊《Acta Materialia》发表最新研究成果。团队采用放电等离子烧结（SPS）技术制备了致密细晶的 (Co₀.₂Cu₀.₂Mg₀.₂Ni₀.₂Zn₀.₂) O高熵氧化物，系统揭示了该材料从室温到 600℃的温度依赖塑性演化机制，首次原位观测到富Cu针状第二相在高温变形中的关键作用，成功实现了陶瓷材料在600℃下超过10%的塑性变形，为突破陶瓷脆性难题提供了全新的熵稳定设计思路。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122212

【核心内容】

研究针对传统陶瓷脆性大、高温塑性差的关键问题，以典型岩盐结构高熵氧化物 (Co,Cu,Mg,Ni,Zn) O 为研究对象，采用"高能球磨-预烧-放电等离子烧结"的多步工艺制备了相对密度达95.7%、平均晶粒尺寸1.03μm 的致密单相样品。研究发现，随着温度升高，材料从室温下的脆性穿晶断裂逐步转变为 600℃下的显著塑性变形，断裂应变从1.8%提升至 10.7%，同时仍保持2.1GPa的高抗压强度。微观机制分析表明，热激活位错运动、晶界滑动以及变形诱导析出的富Cu针状第二相的协同作用，是实现高温强韧协同的核心原因。

图形摘要

【研究结果】

① 制备致密细晶单相高熵氧化物，基础力学性能优异

研究团队首先优化了高熵氧化物的制备工艺，将等摩尔比的CuO、MgO、NiO、ZnO和CoO纳米粉末进行15小时高能球磨，900℃预烧形成单相固溶体，再通过放电等离子烧结在800℃、35MPa下保温5分钟完成致密化。形成了单一的岩盐结构，无明显杂相；平均晶粒尺寸为1.03±0.17μm，晶粒分布均匀，仅存在少量微孔和预存穿晶裂纹。维氏硬度测试结果7.44±0.27GPa，断裂韧性为1.42±0.02MPa·m^0.5，弹性模量约180GPa，与文献报道的同类材料性能相当，且优于多数传统氧化物陶瓷。

微观结构和相分析

SPS高熵氧化物显微组织

② 原位观测到显著的温度依赖塑性转变，实现高温大塑性变形

团队系统研究了材料在不同温度下的力学响应，发现了清晰的脆性 - 塑性转变行为，400℃塑性明显提升，裂纹萌生延迟至3.6%应变，断裂应变达4.9%，变形过程中出现明显的微柱膨胀和剪切局部化，裂纹呈波浪形扩展而非突然失稳。600℃展现出显著的塑性变形能力和加工硬化行为，微柱可承受10.7%的应变而无突然载荷下降，裂纹扩展缓慢，断裂以沿晶开裂和弥散微裂纹为主，避免了整体脆性破坏。

SPS高熵氧化物力学行为

③ 揭示变形诱导微观结构演化规律，量化位错密度演变

室温变形后，平均晶粒尺寸从初始的1.03μm细化至135±80nm；400℃时进一步细化至103±23nm，且晶粒尺寸分布更窄；600℃时仍保持明显的晶粒细化特征，同时出现低角度晶界，表明动态回复机制开始发挥作用。室温变形后平均GND高达3.4×10¹⁶/m²，远高于传统氧化物陶瓷，说明尽管宏观表现为脆性，但微观上仍存在显著的位错活动；400℃时GND降至2.24×10¹⁶/m²，这是由于热激活导致位错攀移、交滑移和部分湮灭；600℃时GND回升至2.63×10¹⁶/m²，表明位错增殖速率超过了动态回复速率，从而产生加工硬化。

室温压缩后对SPS高熵氧化物微柱的TEM分析

变形高熵氧化物中GND的温度依赖性

变形过程中会诱导析出富Cu的针状第二相，且其含量随温度升高显著增加：400℃时第二相面积分数为8%，600℃时增至23%。Cu 原子具有较高的扩散速率和较低的氧化物形成焓，同时其强畸变导致在高熵固溶体中热力学不稳定，在热激活和变形诱导的缺陷处优先偏聚析出。富Cu第二相内部存在大量堆垛层错，表明其可通过不全位错运动发生塑性变形，从而协调基体的变形，缓解局部应力集中。

400℃/600℃压缩后对SPS高熵氧化物微柱的TEM分析

【总结与展望】

研究通过原位实验结合先进表征技术，首次系统揭示了 (Co,Cu,Mg,Ni,Zn) O 高熵氧化物从室温到 600℃的变形机制演化规律，证明了熵稳定设计结合微观结构工程是克服陶瓷脆性的有效途径。研究表明，通过调控变形诱导析出的富 Cu 第二相的形态、尺寸和分布，可以同时实现陶瓷材料的高温塑性和强度，为设计下一代耐高温结构陶瓷提供了新的范式。