穿晶断裂是以硬质合金为典型代表的陶瓷和陶瓷基复合材料等脆性材料的主要断裂失效机制，降低穿晶断裂的比例是提高陶瓷基材料力学性能的关键途径。已知固溶强化、析出相变、晶粒细化等手段在强化金属材料的研究中有着广泛的应用，尤其析出强化被认为是常用方法中提高合金强度的最有效的手段。然而，对于陶瓷和陶瓷基复合材料而言，因其共价键晶体的内禀特性，实现析出过程非常难，因此析出强化这种手段在陶瓷基材料中难以获得应用。研究者通常利用添加诸如氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等硬质颗粒的方法来提高陶瓷材料的硬度和强度，但是添加这些硬脆颗粒通常会降低材料的韧性。添加的颗粒一般会分布于陶瓷主相的晶界处，其与陶瓷主相之间的相界面结构及结合强度难以调控，产生的应变不匹配几乎不可避免地发生在非共格的相界面处，从而易于导致微裂纹形核，无法做到强度和断裂韧性的同步提高。也正因此，以硬质合金为代表的硬脆属性的陶瓷基复合材料中强度和韧性之间互斥、制约的变化关系，是此类材料获得强韧性高的优异综合性能的极大挑战。

针对如上领域共性难题，北京工业大学宋晓艳教授研究团队提出新的设计研发策略：在硬脆的陶瓷相晶内植入具有共格相界面的韧性纳米颗粒相，同步增强增韧陶瓷主相，来协同提高陶瓷基复合材料的强度-韧性综合力学性能，突破强度和韧性之间的互斥制约关系。研究团队以WC-Co硬质合金这种典型的陶瓷基复合材料为例，通过成分设计和两类原位反应合成实验的设计，在WC晶内成功植入（seeding）超小（<10nm）纳米韧性颗粒相，实现了具有共格界面的纳米颗粒在WC陶瓷主相晶内的分布调控。宏观和微观的力学性能测试均表明，研制的新型硬质合金中WC陶瓷相的穿晶断裂比例成倍降低，硬质合金的强度和断裂韧性获得同步显著提高。 

相关研究工作以“Seeding Ductile Nanophase in Ceramic Grains”为题发表在Materials Horizons期刊，首次提出了陶瓷相晶内植入超小共格韧性纳米颗粒相解决强度和韧性之间互斥、制约关系，同步增强增韧的高性能复合材料研发新策略。赵冲博士和吕皓副教授为该论文共同第一作者。

以钨、钴的氧化物为初始原料，精细调控碳含量和TaC的添加量，通过原位反应合成WC-Co基复合粉末，在烧结过程中设置二次原位反应，制备得到WC-Co基硬质合金块体材料。其中，WC晶内的中心区域产生一定量纳米颗粒，三维原子探针测试表明纳米颗粒为一种富Co相。

以WC-10Co-0.8TaC试样为例，观察到WC晶粒内的小尺寸富Co纳米颗粒尺寸基本在10 nm以下，具有HCP晶体结构，形貌上表现为空间多面体特征，且在{0001}、{10-10}、{10-11}晶面上与WC晶体具有完全共格的相界面关系。而在含有更多TaC的WC-10Co-1.5TaC中，WC晶粒内的富Co纳米颗粒尺寸增大到几十纳米，具有FCC晶体结构，和WC具有半共格的界面关系。

图2. 新型硬质合金中WC晶粒内的纳米颗粒晶体学分析：(a-h) WC-10Co-0.8TaC中WC晶内的超小纳米颗粒，(i-m) WC-10Co-1.5TaC中

WC晶内的较大尺寸颗粒。小尺寸颗粒与WC在多个晶面上具有共格关系，较大尺寸颗粒与WC呈半共格关系。

EDS-STEM分析表明，Ta和C元素在WC晶粒边缘浓度高于WC晶粒心部，Ta元素的这种分布特征也得到了第一性原理计算的验证。WC晶内的成分起伏和富Co颗粒的生成说明反应扩散在晶内纳米颗粒的形成过程中起到了关键作用，因此，对原料粉末中的碳含量进行精细调控很重要，其决定WC晶内富Co纳米颗粒相的形核位点。WC晶粒内富Co纳米颗粒的形成能力也得到了第一性原理计算的证实。

图3. 初始粉末成分中的TaC含量和碳含量对WC晶内纳米相形成和分布的影响：(a-b) WC晶粒的EDS-STEM分析，

(c-e) 第一性原理计算分析Ta在WC晶内的分布，(f-j) HAADF-STEM分析碳含量对WC晶内纳米相分布的影响，

(k) 第一性原理计算分析碳含量对WC晶内纳米相形成能力的影响。

利用宏观和微观的力学实验分别测试评估了WC晶内富Co纳米颗粒对WC-Co硬质合金力学性能的影响。晶内纳米颗粒分布于WC晶粒心部可以显著提高WC-Co硬质合金的强度，并且同时提高断裂韧性。微柱压缩实验表明，晶内富Co纳米颗粒的存在显著降低了穿晶断裂的比例，提高了硬质合金的塑性协调能力。WC晶内纳米富Co颗粒是一种具有塑性变形能力的物相，通过位错切过机制强化了WC相。同时，由于纳米富Co相与WC相在{0001}、{10-10}、{10-11}晶面上具有完全的共格关系，这也有力提高了应力传递和塑性协调能力，避免了位错塞积和局部应力集中。{0001}、{10-10}、{10-11}都是WC中位错的主要滑移面，而纳米富Co相的空间多面体特征使得WC中的位错可以沿多个滑移面滑移切过晶内纳米富Co相，使得晶内纳米相和WC相的界面处不易发生应力集中和应变局域化现象，由此避免位错在晶内纳米相处的塞积和WC晶内微裂纹的萌生。这些因素共同导致了晶内纳米富Co相在使WC具有优良断裂韧性的前提下对其进行有效强化，从而突破强度和韧性的互斥关系，达到同步增强增韧。

图4. WC晶内纳米颗粒相对硬质合金力学性能的影响：(a) 微柱压缩实验示意图，(b) 微柱压缩前后的SEM图像，

(c) 微柱压缩后SEM观察的失效方式，(d) 失效方式统计分析，(e) 微柱压缩的应力应变曲线及其与文献对比，

(f) 含WC晶内纳米相的硬质合金力学性能及其与文献比较，(g) 微柱压缩后制取TEM试样示意图，

(h-i) WC位错切过晶内纳米颗粒高分辨观察。

添加硬质纳米颗粒通常很难调控颗粒的尺寸和分布，而且常会在硬质颗粒和陶瓷主相之间形成非共格界面关系，成为应变不匹配和应力集中的潜在危险位点，造成对材料断裂韧性的不利影响。本研究提出的在陶瓷相晶内产生共格韧性纳米颗粒的新策略，可以同步提高陶瓷基材料的强度和韧性。这种策略可以通过精细调控粉末成分和原位反应，来调控形成特殊晶内纳米相的“种子”，预期可以应用在多种碳化物、硼化物等陶瓷基复合材料的强韧化研究中。

全文链接：https://doi.org/10.1039/D3MH02233A

赵冲博士，2022年获得北京工业大学博士学位，师从宋晓艳教授；2022年至今在北方华创科技集团股份有限公司从事先进陶瓷材料及半导体装备关键零部件研发工作。在Mater. Horiz.、Acta Mater.、J. Eur. Ceram. Soc.、Int. J. Refract. Met. H.、Int. J. Hydrogen Energ.等期刊发表SCI论文10篇，授权国家发明专利1项，作为科研骨干参与国家重点研发计划课题、国家杰出青年科学基金等项目的研究。

吕皓副教授，北京工业大学材料科学与工程学院，2017年于加拿大阿尔伯塔大学获得博士学位。先后入选北京市“青年海聚”高层次人才、北京市青年托举人才。主要从事基于多尺度高通量计算的新型金属材料设计、制备与性能分析方面的研究工作。作为项目负责人承担了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划项目子课题等，同时作为骨干成员参与了多项国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等。在Acta Mater.、ACS AMI、J. Mater. Sci. Technol.、Mater. & Des.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文80余篇，授权/公开国家发明专利和软件著作权10项，授权美国发明专利1项。兼任中国体视学会理事、青年工作委员会委员，北京粉末冶金研究会委员、《粉末冶金材料科学与工程》青年编委等。

北京工业大学宋晓艳教授研究团队多年来致力于具有稳定高性能的合金纳米材料设计制备与组织结构调控，研究方向包括硬质合金、稀土合金和计算材料学，形成了“合金纳米材料稳定性基础研究”与“工程应用”紧密结合的发展主线和学术特色。团队主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、德国研究联合会基金(DFG)、北京市自然科学基金重点等项目以及多项企业委托攻关项目，成果获得省部级科技进步奖一等奖 1 项、自然科学奖二等奖 3 项、技术发明奖二等奖1项；授权和公开国际、国内发明专利100余项，于Nat. Commun.、Sci. Adv.、Acta Mater.等期刊发表SCI论文360余篇，在国际国内学术会议上作大会/主旨/邀请报告80余次。