In situ characterization of delamination and crack growth of a CGO-LSM multi-layer ceramic sample investigated by X-ray tomographic microscopy
采用原位X射线层析显微镜（microtomography）研究了$_{0.9}$-Gd-$_{0.1}$-O-$_{1.95}$（CGO）和（$_{0.85}$-Sr-$_{0.15})_{0.9}$-MnO-$_{3}$（LSM）多层陶瓷样品的致密化、分层和裂纹扩展行为，探讨了多层陶瓷样品裂纹扩展和分层的临界动力学。自然发生的缺陷，所造成的样品制备过程中，被证明是不重要的样品降解。相反，缺陷在脱脂步骤期间成核。沿着材料层的裂纹增长明显快于垂直于它们的裂纹增长，并且裂纹增长和分层仅在发生烧结时加速。
2014-09-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectric Soft Modes in Ceramics and Films
综述了陶瓷和薄膜的铁电软模特性，并与单晶进行了比较。通常，陶瓷和薄膜中的介电常数与单晶相比显著降低，主要是因为样品中存在低介电常数晶界-死层-（有时也是纳米裂纹）。在SrTiO 3和BaTiO 3中，这种介电降低完全由软模频率的硬化来解释。在大多数其他铁电体中，软模式仅部分地解释了这种介电常数的降低，因为转变仅部分地由声子模式软化驱动。在这些情况下，额外的弛豫色散低于光学声子范围（中心模式）占Tc附近的介电异常的主要部分。纳米裂纹对Tc附近的介电常数降低和相关的中心模式的硬化的影响表现在反铁电PbZrO 3陶瓷。
2006-11-01 cond-mat.mtrl-sci
Stable crack propagation in dislocation-engineered oxide visualized by double cleavage drilled compression test
Technical University of Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；Tsinghua University（清华大学）；Université Lille, CNRS, INRAE, Centrale Lille, UMR 8207—UMET—Unité Matériaux et Transformations（里尔大学，法国国家科学研究中心，法国国家农业食品与环境研究院，里尔中央理工学院，联合研究单位8207——材料与转化单元）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）
本研究通过改进的DCDC试验原位观察MgO中位错对裂纹扩展的影响，发现位错富集区使裂纹速度降至15%，结合相场与晶体塑性建模揭示机理，为设计更耐断裂陶瓷提供新途径。
2025-08-16 cond-mat.mtrl-sci
Predicting high rate granular transition and fragment statistics at the onset of granular flow for brittle ceramics
脆性材料在冲击载荷作用下表现出从裂纹固体到粒状介质的转变。这种过渡到颗粒力学和由此产生的初始碎片的大小和形状分布在计算模型的适当表示还没有得到很好的理解。目前的工作提供了一个数值模型来分析竞争裂纹聚结的过渡制度，并提供洞察粉碎的发病和随后的颗粒流的初始条件。从初始缺陷，使用翼裂纹增长为基础的损伤模型获得的裂纹统计已被用来离散模拟椭圆形裂纹在三维空间中，有和没有一个最小的交叉约束。这些裂纹，然后允许合并与附近的裂纹沿有利的方向和输出的碎片统计已被预测。不断发展的破碎提供洞察粉碎的发病以及最终过渡到颗粒力学和由此产生的初始碎片统计。一个简单的唯象模型已被提出，建议一个过渡标准类似的数值模型中获得的。
2020-11-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.comp-ph
Fabrication of CeO2 by sol-gel process based on microfluidic technology as an analog preparation of ceramic nuclear fuel microspheres
将微流控技术与溶胶-凝胶工艺相结合，以非活性铈为铀或钚的替代物，制备单分散MOX核燃料微球。提供了有关微流控器件和溶胶-凝胶工艺的详细信息。研究了连续相和分散相的粘度、流速对CeO2微球粒径及粒径分布的影响。对CeO2微球进行了XRD、SEM、密度、粒径及粒径分布等表征。所制备的单分散粒子的粒径可精确控制在10 μ m~1000 μ m范围内，粒径变异系数小于3%。
2012-12-15 cond-mat.mtrl-sci nucl-ex
Bulk Nanostructured Zirconia Ceramics with High Hardness and Toughness via Integration of High-Pressure Torsion and Spark Plasma Sintering
本研究针对传统高温烧结难以制备块体纳米结构陶瓷的问题，结合高压扭转与放电等离子烧结制备出平均晶粒80nm、高硬度高韧性的钇稳定氧化锆陶瓷，验证了位错对提升断裂韧性的作用。
2025-07-30 cond-mat.mtrl-sci
Dislocation interaction with a tilt low angle grain boundary in bi-crystal SrTiO3
为探究陶瓷塑性变形中裂纹抑制机制，研究以带4°倾斜晶界的双晶SrTiO3为模型，结合室温布氏压痕、蚀坑成像与透射电镜，观察到位错在小角度晶界的塞积、存储与穿晶传递，为位错-晶界相互作用提供了新的介观尺度实验依据。
2025-09-05 cond-mat.mtrl-sci
Machine-Learning Potentials Predict Orientation- and Mode-Dependent Fracture in Refractory Diborides
针对陶瓷尤其是薄膜断裂性能实验表征难的问题，本研究用基于从头算数据训练的机器学习原子间势，结合应力强度因子控制加载，预测难熔二硼化物依赖取向和加载模式的断裂行为，结果与实验吻合，方法可扩展至有限温度。
2025-05-28 cond-mat.mtrl-sci
Effects of Yttrium Doping on Oxygen Conductivity in Ba(Fe, Co, Zr, Y)O_{3-δ} Cathode Materials for Proton Ceramic Fuel Cells
University of Wisconsin – Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Clemson University（克莱姆森大学）；National Energy Technology Laboratory, United States Department of Energy（美国能源部国家能源技术实验室）
针对质子陶瓷燃料电池阴极氧还原反应动力学慢的问题，研究了钇掺杂对Ba(Fe,Co,Zr,Y)O_{3-δ}钙钛矿材料氧导电性的影响，明确了钇掺杂的作用并提出串联电路模型，为优化阴极性能提供依据。
2025-11-14 cond-mat.mtrl-sci
Machine-learning potentials for nanoscale simulations of deformation and fracture: example of TiB$_2$ ceramic
针对 TiB$_2$ 陶瓷，本文提出通过追加拟合构建机器学习原子间势，以实现从原子尺度到纳米尺度的单晶变形与断裂模拟，并评估其跨条件、跨相可迁移性。
2023-09-02 cond-mat.mtrl-sci
Damage-tolerant oxides by imprint of an ultra-high dislocation density
本文提出用布氏球划痕法在MgO中室温制备超高密度位错塑性区，证明其可完全抑制裂纹萌生扩展，并区分了位错增韧与残余应力对损伤行为的贡献。
2024-08-23 cond-mat.mtrl-sci
Influence of dislocation density on the tribological response in oxides: case study on SrTiO3
Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；ASMEC GmbH（ASMEC有限公司）；University of Tennessee（田纳西大学）；Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMFi)（卡尔斯鲁厄纳米微设施）
本研究以SrTiO3为对象，探究了预制位错密度对氧化物微划痕响应的影响，发现位错可抑制弹性变形、改变裂纹形态，为位错调控近表面损伤容限提供了直接证据。
2026-09-07 cond-mat.mtrl-sci
Giant Strain Tunability in Polycrystalline Ceramic Films via Helium Implantation
针对多晶陶瓷薄膜因应变易开裂导致应变工程调控功能性能受限的问题，本文提出氦注入技术，可在多晶BiFeO3薄膜中实现高达3.2%的晶格参数膨胀且无裂纹，为多晶材料的应变工程提供了经济高效的新方法。
2025-01-23 cond-mat.mtrl-sci
Unraveling impacts of polycrystalline microstructures on ionic conductivity of ceramic electrolytes by computational homogenization and machine learning
本研究针对氧化物陶瓷晶界离子电导率低的瓶颈，通过有限元均匀化计算分析多晶微观结构对离子电导率的影响，构建图神经网络模型实现电导率精准预测，为微观结构优化提供定量指导。
2024-05-15 cond-mat.mtrl-sci
Reactive Laser Synthesis of Ultra-high-temperature Ceramics HfC, ZrC, TiC, HfN, ZrN, and TiN for Additive Manufacturing
超高温陶瓷（UHTCs）是需要极端温度弹性、耐化学侵蚀环境、耐磨性和机械应力的应用的最佳结构材料。由于各种障碍，利用基于激光的增材制造（AM）加工UHTC尚未完全实现。本文采用选择性激光反应烧结（SLRS）技术制备了HfC、ZrC、TiC、HfN、ZrN和TiN等近净形超高温陶瓷。第IV族过渡金属和金属氧化物前体材料被化学转化并使用在CH 4或NH3气体中的单步选择性激光加工反应结合成UHTCs层，这可能与流行的粉末床熔合技术兼容。首先研究了金属（Hf，Zr和Ti）或金属氧化物（HfO 2，ZrO 2和TiO 2）颗粒的转化，以检查与单组分前体系统的SLRS相关的反应机制和体积变化。单独的金属或金属氧化物的SLRS处理产生接近化学计量的UHTC相，其中碳化物和氮化物的总收率高达100重量%。然而，对于单组分前驱体，气-固反应性引起的体积变化导致产物层中的残余应力和开裂。为了减轻转化引起的应力，采用复合金属/金属氧化物前体来补偿金属（其在转化期间膨胀）或金属氧化物前体（其收缩）的体积变化。
2022-12-07 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelastic toughening: can it solve the mechanics challenges of solid electrolytes?
全固态锂电池最有前途的固体电解质是氧化物和硫化物陶瓷。目前的陶瓷固体电解质是脆性的，并且缺乏承受重复充电和放电循环的机械应力的韧性。固体电解质由于Li金属阳极的枝晶生长而易于裂纹扩展，并且由于阴极晶格参数的循环变化而易于在阴极/电解质界面处的剥离过程。从这个角度来看，我们认为，全固态电池的力学挑战的解决方案可以借鉴航空航天工业，该工业成功地克服了高温合金涡轮叶片热障涂层开发中的类似障碍。他们的解决方案是利用铁弹性和相变增韧机制来开发能够承受由于温度变化大而引起的循环应力的陶瓷。这一观点描述了基本的材料设计原则，以寻找铁弹增韧的固体电解质。
2023-02-18 cond-mat.mtrl-sci
In-situ non-equilibrium nanomechanics in a proton-conducting ceramic at low temperatures
纳米结构质子导电陶瓷作为中温质子导体引起了人们的极大兴趣。质子传导过程中的结构动力学，特别是在晶界处，对于纳米结构PCC中的稳定性和质子传输至关重要。一个常见的假设是PCC在低操作温度下结构稳定;然而，材料多晶性、吸收和反应性操作条件迄今为止阻止了通过纳米分辨原位结构测量来验证该假设。在这里，在原型PCC BaZr0.8Y0.2O3-d中，结构稳定性的前提被证明在低至200 °C的温度下是不准确的。纳米结构BaZr0.8Y0.2O3-d烧结颗粒上的相干X射线衍射适于在200 °C的潮湿氮气气氛中对组成亚微米颗粒内部的原位三维结构过程进行成像。直接观察揭示了非平衡缺陷的产生和随后的晶粒开裂的时间尺度上的小时，形成新的，否则积极不利的方面在BaZr0.8Y0.2O3-d。此外，结构重排与动态不均匀性的晶格常数内的晶粒，显示潜在的异质H+运输。我们的研究结果阐明了PCC结构退化背后的机制，推翻了现有的假设PCC中的结构动力学，并填补了方法的差距，进一步深入原位研究的PCC纳米结构。
2021-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Enhanced fracture toughness in ceramic superlattice thin films: on the role of coherency stresses and misfit dislocations
由耐火陶瓷组成的超晶格（SL）薄膜结合了极高的硬度和增强的断裂韧性;材料组合通常是相互排斥的。虽然现有的基于位错迁移率的模型很好地描述了当两种材料形成超晶格时所获得的硬度增强，但断裂韧性增加背后的潜在机制尚未解开。在这里，我们提供了一个模型的基础上，线性弹性理论来预测断裂韧性增强（半）外延纳米层由于相干应力和形成失配位错。我们示例性地研究了在MgO（100）单晶衬底上由两种立方过渡金属氮化物（TiN，CrN）组成的超晶格结构。每次在纳米层堆叠上添加新层时，总应变能的最小化允许估计在界面处形成的失配位错的密度。发展的相干应力，这是部分放松的错配位错，然后被用来计算表观断裂韧性的各个SL架构，通过应用权函数法。结果表明，对于极薄（基本上无位错）的SL，临界应力强度随双层周期的增加而急剧增加，但随着失配位错的形成，K_IC值下降较平缓。特征K_IC与双层周期依赖性很好地匹配实验趋势。重要的是，所有的临界应力强度值的超晶格薄膜明显超过本征断裂韧性的构成层材料，显示的重要性的相干应力增加的裂纹生长阻力。
2020-08-31 cond-mat.mtrl-sci
Reactive Two-Step Additive Manufacturing of Ultra-high Temperature Carbide Ceramics
超高温陶瓷（UHTCs）是需要对极端温度（>2000°C）、高机械负载或侵蚀性氧化环境具有弹性的应用的候选结构材料。使用增材制造（AM）方法将UHTC过渡金属碳化物作为独立材料进行加工尚未完全实现，这是由于它们极慢的原子扩散率阻碍了烧结，并且在间接AM期间体积变化较大，这可能会引起缺陷结构。在这项工作中，一个两步，反应AM的方法进行了研究，形成超高温陶瓷TiCx。使用现成的设备，包括聚合物粉末床熔融AM机和传统的管式炉，以生产具有亚毫米分辨率的UHTC立方体和晶格结构。该加工方案包括：（1）混合有酚醛粘合剂的Ti前体的选择性激光烧结，用于生坯成型，以及（2）生坯在CH 4中的非原位等温气-固转化，以形成TiCx结构。在CH 4中的反应性后处理导致高达98.2重量%的TiC0.90产品收率和由于与Ti到TiC的转化相关联的体积膨胀而在固结期间的净收缩减少。结果表明，反应结合与吉布斯自由能释放与TiC形成产生颗粒间的粘附在低炉加工温度。通过这种工艺粘合高度耐火材料的能力导致结构在热冲击测试期间无裂纹且抗断裂。广泛地说，所提出的增材制造方法可用于生产许多UHTC碳化物，否则这些碳化物可能与不包括反应合成的现行AM技术不兼容。
2022-12-07 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic modeling of uranium monocarbide with a machine learning interatomic potential
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
本研究通过机器学习互原子势能函数建模铀单碳化物，实现了对其结构、热物理性质及扩散行为的高效预测，为反应堆燃料认证提供了计算工具。
2026-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Effect of the parameters of bimodal microstructure on the mechanical properties of alumina: A case of sintering regime effects
Lobachevsky University（洛巴切夫斯基大学）
研究双模微观结构参数对氧化铝力学性能的影响，通过不同烧结制度优化陶瓷的硬度、断裂韧性及强度。
2026-01-12 cond-mat.mtrl-sci
Discrete Element Simulation of Transverse Cracking During the Pyrolysis of Carbon Fibre Reinforced Plastics to Carbon/Carbon Composites
纤维陶瓷如C/C-SiC的断裂行为强烈依赖于生产过程中产生的初始损伤。本文用离散元法研究了[0/90]S正交铺层层板中90°铺层在碳化过程中由于基体材料的热化学降解而产生的横向开裂。裂纹形态强烈地依赖于纤维-基体界面性质、横向铺层厚度以及碳化过程本身。为了对90°层建模，构造了弹簧的二维三角形网格，其中网格的节点表示纤维。具有随机断裂阈值的弹簧模拟无序基质材料和界面。弹簧网格通过界面弹簧耦合到两个刚性杆上，刚性杆捕获模型中的两个0°层或相邻的子层合板。分子动力学模拟用于跟踪模型系统的时间演化。结果表明，在逐渐升温的条件下，90°铺层在发生一定程度的分布裂纹后，出现分段裂纹，并逐渐发展到饱和状态，使铺层不能承受附加载荷。还研究了损伤的微观结构对铺层厚度和弹簧性能的无序的依赖性。裂纹密度和孔隙率的系统作为温度的函数进行监测，并比较分析方法和实验。
2015-09-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Selective Laser Reaction Synthesis of SiC, Si$_3$N$_4$ and HfC/SiC Composites for Additive Manufacturing
研究了选择性激光反应烧结技术（SLRS）技术用于生产近净形非氧化物陶瓷，包括SiC、Si $_3$ N $_4$和HfC/SiC复合材料，其可能与流行的粉末床熔融增材制造工艺兼容。使用在选择性激光加工和层形成期间发生的原位反应来产生共价陶瓷的反应结合层。在SLRS过程中，由金属和/或金属氧化物粉末组成的前体材料被制成粉末床，用于转化为非氧化物陶瓷层。激光处理被用来启动同时化学转化和局部粒子间键合的前体颗粒在CH 4或NH 3气体。与反应合成过程相关的几个因素（前体化学，气-固和气-液合成机制，前体蒸气压）进行了研究，得到的微观结构和非氧化物产量。结果表明，单组分前驱体原位转化过程中发生的体积变化对表面层微观结构产生了负面影响。为了避免伴随Si或Hf（其在转化时膨胀）或SiO $_x$（其在转化期间收缩）的转化的内应力和破裂，使用前体组分的优化比率来产生向产物相的接近等体积转化。结果表明，在适当的工艺条件和前驱体选择下，采用一步AM相容工艺可以获得近净形SiC和SiC复合材料。
2022-07-29 cond-mat.mtrl-sci
Surface quality improvement of porous thin films suitable for nanoindentation
钙钛矿材料LSCF用作固体氧化物燃料电池阴极部件的可靠性也依赖于其机械性能。当对烧结态多孔薄膜进行纳米压痕以测定机械性能时，需要适当的表面条件。在这项研究中，广泛的裂纹和相当大的表面粗糙度被发现在高温烧结后的LSCF薄膜。这将显著地分散纳米压痕数据并导致不可靠的测量。为了改善表面质量，进行了各种尝试，包括薄膜沉积方法的比较、干燥和烧结过程以及重新配制油墨。结果显示，裂纹和表面粗糙度的沉积方法，干燥或烧结过程的依赖性很小。结果发现，获得无裂纹和光滑的LSCF膜的关键因素是油墨在早期湿状态下的自流平能力。可再现的纳米压痕测量得到的薄膜具有改善的表面质量。
2015-02-07 cond-mat.mtrl-sci
Three-dimensional printed Yttria-stabilized Zirconia self-supported electrolytes for Solid Oxide Fuel Cell applications
增材制造代表了一场革命，因为它具有近净形状的自由成形制造的独特能力，大大减少了废料和资本成本。这些不公平的优势尤其与先进陶瓷的昂贵和高能耗的制造工艺相关，例如氧化钇稳定的氧化锆，固体氧化物燃料电池应用中的最先进的电解质。在这项研究中，自支撑电解质的氧化钇稳定氧化锆已打印使用立体光刻三维打印机。印刷电解质和完整的电池制造的镧锶锰酸盐和氧化镍-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，分别与阴极和阳极层，电化学表征显示出完整的功能。此外，更复杂的配置的电解质已被打印产生的性能完全基于几何方面的增加。作为补充，已经开发并验证了一个数值模型，作为设计更先进配置的预测工具，这些配置将在未来实现高性能和完全定制的设备
2017-11-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Grain boundary and defects assisted thermal conductivity of nano-crystalline Gd2Ti2O7 Pyrochlore
研究烧绿石结构陶瓷的热导率对烧绿石结构陶瓷作为惰性基质燃料、氧化物燃料电池电解质和热障涂层的应用具有重要意义。采用放电等离子烧结结合高能球磨的方法制备了纳米晶Gd 2 Ti 2 O 7，研究了孔隙率、结构缺陷和晶界散射对材料热性能的影响。热导率已被测量的温度范围从室温到900 ℃，使用激光闪光装置（LFA），并讨论了结果，包括几个现象，有助于在nc-烧绿石的热传输的散射机制的支持。随着晶粒尺寸的减小，热导率的系统性降低可以通过声子-孔隙散射现象来理解。此外，还观察到随着温度的升高，边界散射对热传输的主导作用。实验确定的热导率值与热障涂层（TBC）应用的隔热要求相一致
2022-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Shack-Hartmann wavefront sensing: A new approach to time-resolved measurement of stress intensity during dynamic fracture of small brittle specimens
本文提出用SHWFS替代DGS，以微米级空间和亚微秒时间分辨率测量毫米级脆性试样动态断裂的表面斜率，并提取表观应力强度因子演化。
2023-10-02 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
A continuum model for brittle nanowires derived from an atomistic description by $Γ$-convergence
从具有短程相互作用的粒子系统出发，导出了三维空间中不可伸长杆的弯曲、扭转和脆性断裂的连续介质模型。由于粒子的数量趋于无穷大，因此假设棒的厚度与原子间的距离处于同一数量级。在$Γ$ -极限中的断裂能由隐式单元公式表示，该公式涵盖了不同的断裂模式，包括（完全）裂纹、褶皱和扭转裂纹。在特殊情况下，单元公式可以显着简化。我们的方法适用于例如原子系统与Lennard-Jones型电位和陶瓷纳米线的研究的动机。
2022-08-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci math-ph
Manganese oxide nano flakes onto simultaneously activated defective CNTs for the creation of CNTs-graphene supported oxygen reduction composite catalysts applied in air fuel cell
非贵金属氧化物与经济炭材料的合理组合是创造高性能空气电极材料的关键。在稀H $_2$ SO $_4$中，通过取消常规水热处理或添加表面活性剂模板剂，将商品化的碳纳米管（CNTs）与MnO $_4^-$反应，制备了CNTs负载的锰氧化物复合催化剂（CMnCs）。然后将CMnC组装成装备在金属空气燃料电池中的商用空气阴极。碳纳米管表现出结构上的缺陷。在合成过程中，外部CNT壁破裂成石墨烯纳米片，但仍保持部分附着于内部碳管。石墨烯平面的这种暴露表现出额外的氧还原反应性。在碳纳米管表面均匀生长了纳米级的氧化锰薄片（γ-MnOOH）。其沉积密度与KMnO $_4$对CNTs的添加量密切相关。在相同条件下，单独的CMnCs的ORR活性超过了原料CNT和合格的市场催化剂，并且在当前的生产工艺下，CMnCs添加的空气燃料电池能够在100 mA/cm $^2$下输出约15%以上的功率。
2017-11-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Effects of Grain Boundaries and Surfaces on Electronic and Mechanical Properties of Solid Electrolytes
本文通过构建11种固体电解质的590个表面和晶界库，揭示扩展缺陷会降低晶界分离能和断裂韧性、引入带隙内电子界面态，从而解释全固态电池中固体电解质的优先开裂及电化学行为。
2024-01-05 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning the screening factor in the soft bond valence approach for rapid crystal structure estimation
本文针对SoftBV方法在快速估算晶体结构时精度不足的问题，提出以化学组成描述符为输入、利用线性和非线性方法建模屏蔽因子，并在钙钛矿和尖晶石型氧化物上验证，其中GPR-NN混合方法将新型陶瓷结构参数预测精度提升至约1%。
2024-07-01 cond-mat.mtrl-sci
