引言：陶瓷在人类社会中不可或缺，但其固有脆性和有限的变形能力严重制约了其在前沿技术中的应用。例如，航空航天隔热材料需承受机械冲击和高频振动，而可穿戴设备需经受反复扭曲。这些场景要求陶瓷部件兼具高强度、大弯曲应变乃至塑性变形，这在传统陶瓷材料中难以实现。一维（1D）陶瓷纳米纤维（CNFs）的出现为陶瓷材料的力学设计带来了范式转变。这些可弯曲的 1D CNFs 可被策略性地组装成二维（2D）柔性膜、三维（3D）可压缩气凝胶。

东华大学丁彬教授团队在《Nature Communications》平台发布了“陶瓷纳米纤维高强韧室温塑性一体化”的最新成果。该团队通过模板自由静电纺丝结合界面诱导成核策略，成功同步提升强度(~1.06 GPa)、柔韧性与室温塑性(~8.44%)。这一成果为极端工况陶瓷构件设计提供了新思路。

一、 双相陶瓷纳米纤维的结构设计与创新机制

论文提出晶态 / 非晶态双相（DP）结构设计，通过构建三种模型逐步优化性能：Model-1 存在多尺度缺陷（孔隙、裂纹）和纳米晶聚集；Model-2 通过无模板电纺消除缺陷，但纳米晶仍局部聚集；Model-3 结合界面诱导成核策略，实现纳米晶均匀分布、内界面增加且无缺陷。分子动力学模拟显示，Model-3 的断裂机制从纳米晶簇边界滑移转变为非晶区剪切带形成，激活了纳米晶滑移、旋转及非晶基质应力耗散等多变形机制，打破了传统陶瓷 “高强度与高变形性互斥” 的固有矛盾。非晶基质作为 “软边界” 分散应力，纳米晶提供强度支撑，二者协同使 Model-3 在保持高强度的同时，实现了室温塑性（塑性应变～3.10%），这是传统陶瓷材料难以实现的突破。

      图1：双相（DP）陶瓷纳米纤维（CNF）的概念设计

二、陶瓷纳米纤维的合成工艺优化

通过配体交换分子设计合成可纺性线性颗粒溶胶（LP-sol），结合无模板电纺技术消除传统工艺中聚合物模板分解导致的缺陷，制备出 Model-2；进一步将球形颗粒溶胶（SP-sol）与 LP-sol 复合，利用二元非晶界面诱导纳米晶成核，抑制聚集，得到 Model-3。优化的二元溶胶（5 wt% SP-sol + 95 wt% LP-sol）兼具良好纺丝性和纳米簇分散性，使纳米晶尺寸分布更均匀（Model-3 标准差～4.55 vs Model-2~5.30）。配体交换（如乙酸修饰钛醇盐）通过调控配位结构，抑制了钛醇盐的过度支化，形成线性溶胶，为无模板电纺提供可能；界面诱导成核降低了非晶 - 锐钛矿相变的活化能（ΔGₐ减少 69.58 kJ/mol），避免了纳米晶团聚生长，确保了双相结构的均匀性。

                               图2：合成过程

三、陶瓷纳米纤维的结构表征与力学性能提升

结构表征显示，Model-1 因模板分解存在介孔 / 微孔（BET 表面积～42.62 m²/g），Model-2 和 Model-3 为无孔结构；Model-3 的纳米晶（平均尺寸～6.32 nm）均匀分散于非晶基质中，内界面显著增加。原位力学测试表明，Model-3 的拉伸强度达～1.06 GPa，应变极限～8.44%，室温塑性应变～3.10%，临界弯曲曲率半径（Rc < 0.47 μm）远小于 Model-1（7.65 μm）和 Model-2（2.37 μm）。无孔结构和均匀纳米晶分布使 Model-3 的应力分布更均匀，氧空位促进的键切换、纳米晶的滑移 / 旋转及非晶区的剪切带增韧共同作用，使其韧性（~58.45 MJ/m³）分别是 Model-1 和 Model-2 的 32.11 倍和 1.79 倍，为极端环境应用提供了可能。

                          图3：结构对比

文献开源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58240-4