由于陶瓷膜层中离子键的高强度，陶瓷材料具有高硬度的同时也通常缺乏耐用性和弹性。通过借鉴层片状和“砖-砂”软硬相仿生结构能够有效缓解强度与韧性倒置的困境。然而，这些仿生结构通常是在微米级制备的。相比之下，具有纳米级微结构的天然珍珠层通常表现出更好的韧性增强作用。此外，增强相（砖）和塑性相（砂）的元素组成和化学键通常显着不同，导致界面润湿性较差，促进了裂纹的沿相界形核和传播，降低了复合结构的强化效果。因此，开发一种能够实现宏观分层和微观“砖-砂”结构的膜层制造方法，确保增强相和塑性相具有高度润湿的同质界面，对于提升陶瓷膜层的综合力学性能是至关重要的。
为了解决这一问题，长安大学轻合金表面强化研究所陈永楠教授团队联合浙江大学占海飞教授团队和西北有色金属研究院通过分段调整微弧氧化（PEO）过程的电参数制备了具有多尺度异构的陶瓷膜层(HSCCs)。HSCCs具有增强相（MgO，c-ZrO2晶体）含量更多的硬质上层，和塑性相（非晶氧化物）含量更多的韧性下层，并表现出了优秀的结构热稳定性和抗剪切能力。相关研究成果以“Hierarchically Structured Ceramic Coatings Based on Zirconia and Magnesium Oxide with High Toughness”为题发表在材料科学领域国际期刊《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为长安大学博士生钱伟峰，通讯作者为长安大学陈永楠教授，王楠讲师和浙江大学占海飞教授，合作者还包括长安大学赵秦阳副教授、西北有色金属研究院王少鹏等。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202418312
研究在先前大量电参数组合探索的基础上，依照天然贝壳结构通过分段PEO成功制备了基于强化相和韧性相差异实现宏观分层结构的膜层，该膜层的上层具有大量的c-ZrO2强化晶粒，下层具有大量的非晶氧化物（图1）。通过对相界面进行深入的分析，发现在c-ZrO2晶粒与非晶相的界面上形成了2-3 nm的过渡层（图2），Mg原子大量渗入晶格，置换了部分Zr原子从而稳定了O原子柱，实现了对c-ZrO2的稳定（图3）。
图1. HSCCs的设计及分层结构表征。
图2. HSCCs 不同区域的微观结构和元素分布。
图3. HSCCs中不同区域的晶体结构和界面原子柱排列。
在过渡界面的稳定下，HSCCs表现出了700 ℃以上的结构热稳定性（图4），以及相对于传统晶体膜层65%以上的抗剪切力提升（图5）。划痕测试结果表明更硬的上层和更韧的下层分别承担了大部分应力和应变，使得膜层整体的临界脱落应力值大幅提高。
图4. HSCCs从30 °C 至 1100 °C的结构热稳定性。
图5. HSCCs与CCCs的显微力学性能和抗剪切性能。
图6. 晶体/非晶氧化物同质界面模型的剪切变形过程。
在此基础上，通过晶体/非晶氧化物同质过渡边界剪切变形过程的模拟，明确了纳米级“砖-砂”同质界面结构强韧化机理（图6）。在过渡边界上，靠近c-ZrO2晶体内部的Mg渗入较少，起到稳定c-ZrO2作用，靠近非晶部分的Mg渗入较多，c-ZrO2晶格逐渐被破坏，此时Zr-O-Mg三元非晶氧化物则会在变形过程中产生大量的自由体积，从而为相界面提供持续的塑性变形能力而不发生断裂。此外，还讨论了裂纹扩展对非晶态塑性变形的影响以及 PEO 过程中多级异构形成的过程。综上所述，此研究通过 PEO 原位制备的强韧一体化HSCCs为改进陶瓷功能复合材料应用，克服陶瓷材料强塑性倒置的挑战提供了一种新途径。
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队支持。
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