Toughening of silicon nitride ceramics through stress-induced phase transformation

材料科学 增韧 氮化硅 陶瓷 结构材料 相(物质) 压力(语言学) 转化(遗传学) 氮化物 冶金 复合材料 韧性 化学 图层(电子) 有机化学 哲学 基因 生物化学 语言学
作者
Shucheng Liu,Yue Pan,Bingtao Feng,Baoyin Xu,Kuo Hu,Xiaojun Xiang,Leiming Fang,Xiaohong Yuan,Qiang Tao,Pinwen Zhu,Zhaodong Liu,Hu Tang,Bingbing Liu
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Nature]
卷期号:14 (8): 9221125-9221125 被引量:1
标识
DOI:10.26599/jac.2025.9221125
摘要

Ceramics, particularly covalently bonded ceramics, exhibit intrinsic brittleness resulting from the strong directional nature of their chemical bonds, significantly limiting their applications. Despite extensive research, effective strategies for substantially enhancing the toughness of covalently bonded ceramics without compromising their exceptional properties have remained elusive. Here, we present a breakthrough in the transformation toughening of dual-phase α/β-Si3N4 ceramics, driven by stress-induced β-to-α phase transformation. Through a nucleation and growth method, we successfully synthesized dense, dual-phase α/β-Si3N4 ceramics with coherent interfaces under high-pressure and high-temperature (HPHT) conditions. The dual-phase α/β-Si3N4 ceramics demonstrate exceptional toughness, reaching 7.30 MPa·m1/2, which is more than double that of β-phase silicon nitride. The significant toughening is attributed to localized plastic deformation caused by stress-induced phase transformation, which hinders crack propagation. This represents the demonstration of stress-induced transformation toughening in covalently bonded ceramics, highlighting the transformative potential of interface engineering for enhancing the toughness of brittle ceramics.
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