——超塑性陶瓷浅谈

刘海涛

大家都吃过拉面。大家吃拉面的时候，除了品尝拉面的美味之外，欣赏拉面师傅那娴熟的拉面过程也是吃客的一大享受。在饮食领域，拉面师傅可以将一团面拉成一根根细长的面条；同样，在材料科学领域，材料工作者同样可以将手中的材料像制作拉面一样，制作成材料“拉面”。

与材料的分类一样，材料“拉面”也分为几个品种：有机物“拉面”，金属“拉面”和陶瓷“拉面”；虽品种多多，但制作的原理都一样，都是基于材料的塑性。通俗地讲，塑性就是材料在外力作用下发生永久变形的性能。这样看来，大家吃的拉面也是基于这一原理了。

对有机物“拉面”，不足为奇，因为有机物“拉面”中的塑料，其名字就告诉我们它是“塑性的料”；所以，用有机物做“拉面”小菜一碟。对金属“拉面”，也不是很稀罕，金属具有良好的延展性，这从打铁师傅那里就可以看到；所以，在此也不多赘述。这样，我们就将目光聚焦在陶瓷“拉面”上。

大家对陶瓷都不陌生，家里的瓷盘瓷碗瓷杯和卫生洁具等等。大家用瓷碗盛过拉面，但大家有没有想到可以将盛拉面用的瓷碗也拉成“拉面”呢？其实，我们的材料工作者们早就做到了！

早在上世纪九十年代，材料工作者Kajihara K.等人就采用氧化锆基陶瓷材料（含5wt%SiO2的2.5Y-TZP，具体内容请阅读推荐文献1）制作了最大拉伸形变量高达1038%的陶瓷“拉面”。可以想象，将一块长度为10厘米的面团拉成长1米的拉面，而且还是使用陶瓷材料这种“面团”，该是多么神奇！

上述的陶瓷“拉面”虽然神奇，但“拉面”的制作过程可能让有些读者接受不了，因为拉伸时采用的应变速率很慢（1.3´10-4 s-1），也就是拉的很慢，所以，将上述“拉面”达到1000%的形变量，需要耗费20个小时！还好陶瓷“拉面”不是用来吃的，否则一些心急的吃客可等不了这么久。

为了解决这一问题，本世纪初，Kim B.-N.等材料工作者精心制备了含有三种化合物的“面团”（40vol%ZrO2+30vol%Spinel+30vol%Al2O3, 具体内容请阅读推荐文献2）,并拉制了形变量高达1050%的陶瓷“拉面”。虽然形变量只比Kajihara K.等人的拉面长了一点点，但由于采用了高的应变速率（0.4 s-1），“拉面”的制作时间大大缩短。原来需要花费20个小时制作的拉面，现在只需要25秒钟！而且拉面线条粗细均匀（如图所示，从上到下分别为：没有变形的原始陶瓷“面团”；变形量为390%的陶瓷“拉面”和变形量为1050%的超级陶瓷“拉面”），令人叹为观止！

看到这里，很多人会问：那把家里的陶瓷碗拉一拉，是否也是一碗陶瓷“拉面”呢？答案是否定的。因为材料工作者们所用的陶瓷和家用瓷器的材料不一样。能做陶瓷“拉面”的陶瓷需要具有很强的塑性，也就是超（级）塑性。超塑性陶瓷及其制备需要满足以下几个要求：首先，需要陶瓷材料具有较小的晶粒尺寸，一般小于10微米（这只是一般要求，对于上述陶瓷“拉面”，其晶粒尺寸皆为几百纳米）；其次，要让陶瓷变形，需要一个较高的温度，制备陶瓷“拉面”的温度一般应达到陶瓷熔点的一半以上。所以，家用的瓷器制备陶瓷“拉面”还是有困难的。不过不要失望，毕竟家用瓷器，如瓷碗瓷盘，主要用途是盛食物用，所以，没有必要将瓷碗也拉成“拉面”。而材料工作者所用的陶瓷，是为了应用到一些器件或设备的成型制备上来，所以，他们需要这样的材料，他们需要制作陶瓷“拉面”。

其实，材料工作者就像厨师一样。厨师为我们制备丰富多彩的食物，使我们吃饱吃好，生活美好。而材料工作者制备出变化万千的材料，不但满足我们日常生活的需求，而且还不断提高着我们的生活水平，同样使我们的生活越来越美好。

对超塑性感兴趣的读者，推荐您阅读以下文献（但超塑性文献并不限于以下几篇）：

1. K. Kajihara, Y. Yoshizawa, and T. Sakuma, "Enhancement of superplastic flow in tetragonal zirconia polycrystals with SiO2-doping," Acta Metall. Mater., 43 [3] 1235-42 (1995);

2. B. N. Kim, K. Hiraga, K. Morita, and Y. Sakka, "A high-strain-rate superplastic ceramic," Nature, 413 [6853] 288-91 (2001);

3. T. G. Langdon, "Seventy-five years of superplasticity: historic developments and new opportunities," J. Mater. Sci., 44 [22] 5998-6010 (2009).