[上图]对于较大的颗粒(48 nm)，角裂纹相当短(约4.5µm)，而对于较小的颗粒(17 nm)，角裂纹的尺寸大约为8µm的两倍。一般来说，断裂韧性随晶粒尺寸的减小而增大，是什么导致了这种相反的关系?信贷:Bokov et al。，美国陶瓷学会期刊m6米乐网官网
当我大学毕业，搬进我的第一间真正的公寓时，我做的第一件事就是出去买了一些漂亮的陶瓷盘子。在那之前，我主要依靠塑料餐具来避免室友打破昂贵的餐具。但现在我要靠自己了，是时候升级了。
我喜欢这些盘子，因为它们摸起来很光滑、很坚固，而不是我在大学里用的那些很脆弱的塑料盘子。然而，很多质感都是基于釉料。如果我把其中一个盘子放在显微镜下观察，我就会看到在它抛光的表面后面是一个不那么光滑的结构。
陶瓷是由数百万个按不同方向排列的小晶体或颗粒组成的。不同取向的晶粒在晶界处相遇，这是陶瓷如此脆弱的一个重要原因。
裂纹经常在晶界处形成和扩展，这可能导致材料失效。然而，晶界也可以吸收材料中的缺陷，阻止短裂纹进一步发展。如果晶粒尺寸足够小(意味着有很多边界)，陶瓷就会变得越来越硬。
基于这一知识，可以认为晶粒尺寸越小，陶瓷越硬。这种关系被称为霍尔-佩奇关系，在某种程度上是成立的。
研究人员在最近的一篇文章中写道:“在陶瓷中，当晶粒尺寸低于100纳米时，这种行为(Hall-Petch)更加明显。纸“但随着晶粒尺寸进一步减小，一些研究也报告，相反，当晶粒细化到临界尺寸以下(硬度开始下降)时，存在反比关系。”
陶瓷中这种反向Hall-Petch背后的机制仍在争论中，理解这些机制是最近这篇论文的研究人员想要实现的。
研究人员阿尔塞·Bokov(当时是博士生)和里卡多·卡斯特罗(教授)来自加州大学戴维斯分校教授João B. Rodrigues Neto来自圣卡塔琳娜联邦大学(巴西)，以及中山大学(中国珠海)的林峰教授。在这篇论文中，他们解释说，虽然晶界滑动似乎是金属合金中反向霍尔-佩奇背后的机制，但陶瓷中反向霍尔-佩奇背后的机制似乎是由“新能量耗散模式的激活”引起的开裂。
他们写道:“当致密材料中的晶粒尺寸降低到纳米尺度时，由于大量的三节结和高密度的缠结，几何约束可能会显著影响晶粒界面的结构性质——所有这些都可能增加晶界的过剩能量。”“因此，随着晶粒尺寸的减小，特定晶界能的值可能会增加……这可能会转化为强度(或韧性，或稳定性)的降低，因为在以前的工作中，晶界的强度与能量直接相关。”
为了更好地理解晶粒尺寸如何影响纳米尺度下的晶界能(以及裂纹的可能性)，研究人员使用氧化钇稳定立方氧化锆(10YSZ)作为模型陶瓷系统。
他们采用反相沉淀法合成了氧化钇稳定氧化锆的纳米晶粉末。对这些纳米粉体进行高压放电等离子烧结，分析其热力学和力学性能。
研究人员发现，对于相对较大的晶粒，晶界能值没有显著变化，平均值为0.56 J/m2对于大于36 nm的晶粒。当晶粒尺寸小于36 nm时，这种情况发生了变化，晶界能大幅增加，达到0.84±0.4 J/m2在16 nm)。
作者写道:“这种现象可以归因于晶界面积和体积的变化，更高的能量边界更有利于适应这种小晶粒尺寸的几何形状。”
他们指出，对于观察到的晶界能量增加，另一种可能的解释是三节理和扭结密度的增加，“假设这些增加了系统的过剩能量。”然而，他们很快就不相信这个想法。“在36 nm时，三结的比例增加到0.34%，在16 nm时增加到1.62%。尽管开始时是巧合，但三联节的实际比例非常小，”他们解释道。
他们提供了一种最终的替代解释，即能量变化可能归因于尺寸引起的肤色转变，但“当然，这在这一点上是高度推测的，因为它也可能与杂质有关。”
这种增加的晶界能与硬度的关系将在他们的结果和讨论部分的最后一部分进行讨论。
他们写道:“随着晶粒尺寸的减小，硬度增加，在~27 nm晶粒尺寸时达到最大值18.41±0.26 GPa。”在此临界尺寸以下，硬度在~17 nm时下降到16.36±0.32 GPa。
当观察宏观尺度时，纳米裂纹数量的增加会给人一种陶瓷正在软化的印象。卡斯特罗在一封电子邮件中解释说:“但用外行的语言来说，软化意味着(陶瓷)实际上在原子层面上更容易移动，而我们的数据并没有显示出这一点。”相反，“我们注意到(陶瓷)总是在压痕下面开裂，无论是大颗粒还是小颗粒。”
现在，研究人员确定了裂纹似乎是陶瓷中反向霍尔-佩奇现象背后的机制，卡斯特罗说，下一步是定义一种策略来控制裂纹，从而避免反向霍尔-佩奇关系。
论文发表于美国陶瓷学会期刊m6米乐网官网,是“尺寸诱导的晶界能增加可能导致纳米晶氧化钇稳定氧化锆的软化”(DOI: 10.1111 / jace.16886)。