硬、脆是陶瓷典型特征，在大多應(yīng)用中“硬”是優(yōu)點(diǎn)，“脆”是缺點(diǎn)。脆性材料往往突然失效（碎裂、崩角），由此導(dǎo)致的不可靠，難加工等問(wèn)題尤其限制了先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用空間和價(jià)值。8月初，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的INTACT（低成本高韌性陶瓷）計(jì)劃內(nèi)容更新，顯示將通過(guò)冷噴涂加工（CSP）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷增韌。

　　金屬材料普遍具備較高韌性，主要因?yàn)榻饘冁I無(wú)方向性，原子滑移后瞬間就會(huì)重建鍵合。而陶瓷脆性根源在于共價(jià)鍵強(qiáng)方向性，所以其在遭遇微米級(jí)缺陷也無(wú)法通過(guò)位錯(cuò)增殖形成塑性緩沖，往往發(fā)生災(zāi)難性失效。通過(guò)人工引入位錯(cuò)，形成類(lèi)似金屬的變形機(jī)制就成了先進(jìn)陶瓷突破脆性限制的有效方案。

冷噴涂工藝示意圖（圖源：phillips）

　　冷噴涂加工（Cold Spray Processing, CSP）最早在1980年代開(kāi)發(fā)出來(lái)，它利用加壓氣體（如空氣、氮?dú)饣蚝猓┰诟邷叵伦鳛橥七M(jìn)氣體，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的噴嘴將金屬或陶瓷粉末加速到300-1200m/s的速度。當(dāng)這些高速粉末顆粒撞擊基底表面時(shí)，它們經(jīng)歷嚴(yán)重塑性變形后沉積形成涂層或塊體沉積物。

　　與熱噴涂相比，CSP不僅可以避免高溫可能導(dǎo)致的分解、氧化以及晶粒粗化等問(wèn)題，而且高速撞擊產(chǎn)生的剪切應(yīng)力超過(guò)陶瓷的屈服強(qiáng)度，迫使晶格滑移，形成位錯(cuò)纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，而高位錯(cuò)區(qū)形成局部殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，迫使微裂紋繞行或分叉，消耗斷裂能，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷增韌。

　　即便上述理論支撐冷噴涂技術(shù)用于陶瓷增韌，但實(shí)際挑戰(zhàn)仍然很多。比如陶瓷顆粒的臨界沉積速度極高，界面結(jié)合強(qiáng)度與冶金結(jié)合無(wú)法相比，陶瓷粉體的粒度粒形對(duì)沉積影響極大，工藝可控性較差……

冷噴涂修復(fù)前后對(duì)比

　　美國(guó)推動(dòng)的這項(xiàng)為期兩年的項(xiàng)目，匯集了大學(xué)和工業(yè)合作伙伴，由明尼蘇達(dá)大學(xué)David Poerschke教授領(lǐng)銜，集結(jié)高校與工業(yè)界合作團(tuán)隊(duì)。佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)（Tanaji Paul教授主導(dǎo)）、弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)（Arvind Agarwal教授）、Solvus Global（Pin Lu博士與Victor Champagne博士）負(fù)責(zé)冷噴涂工藝開(kāi)發(fā)與規(guī)模化應(yīng)用，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校團(tuán)隊(duì)（Matthew Daly教授）專(zhuān)注斷裂行為與位錯(cuò)穩(wěn)定性研究。Citrine Informatics（James Saal博士）將發(fā)揮關(guān)鍵作用，利用現(xiàn)有金屬冷噴涂機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行參數(shù)建模和優(yōu)化。