前言：陶瓷，人类第一件造物，它的发明是人类发展史上一个里程碑。纵使千万年时光流转，陶瓷仍在演进，不断“破圈”，拓展用途。这一期甬江后浪聚焦甬江实验室研究员张杰，听他讲述“新石器时代”的追梦故事。

       众所周知，瓷器易碎，小小磕碰足矣致命。有没有摔不破的陶瓷？近期，甬江实验室研究员张杰团队在导师带领下有望攻克陶瓷领域最具挑战性的课题之一——陶瓷室温拉伸塑性。这也是继一年前那篇石破惊天的Science论文后，张杰带来有关塑性陶瓷研究的最新进展。

       谈及被材料界视为“breakthrough”的成就，张杰感慨：当初误打误撞进了陶瓷材料领域，没想到能做出开创性的成果。

       前沿科技成果不止于论文。甬江畔，这位年轻的研究员正持续探索陶瓷领域颠覆性技术，以期加速古老材料在航空航天、电子、医疗等多领域的工程化应用，为人类更好的未来做出一点贡献。

 

 

结缘陶瓷

       2012年9月，山西小城少年张杰来到北京工业大学开启了大学生活，就读材料科学与工程专业。彼时，他所在学院的传统是抽签定具体专业方向。结果是，心心念念金属材料，偏偏抽中的是相对冷门的陶瓷材料。

       学好本专业的同时，张杰继续追“金”，选修了所有与金属材料相关的课程，还参加全国大学生金相技能大赛并获得个人一等奖，等等。毕业之际，张杰加权成绩名列前茅，收获“北京市优秀毕业生”称号，并拿到了清华大学研究生入学考试的推免资格，成功保送至材料学院继续博士学位的深造。

 

 

       清华大学分配的博导是从事结构陶瓷材料研究的资深教授。在最初的交流中，张杰凭借专业基础知识扎实和动手能力强给导师留下了深刻的印象，于是在正式进入清华读博前就被导师安排参与一项有关多晶硅制备改性的研究，这也成了他的本科毕业设计课题。

       光伏产业多晶硅片大多源于采用定向凝固法制备的多晶硅锭，但制备过程中，硅锭会与石英坩埚壁发生黏连，导致优品率极低。初出茅庐的张杰另辟蹊径，选择通过鲜有人使用的接触润湿角来破题，并最终在导师的悉心指导下，制备出了性能优越的多晶硅脱模剂，顺利攻克硅锭粘连这一困扰工业界多年的难题。

       美妙人生的关键在于你能迷上什么东西。由此，张杰情定陶瓷，决意全身心投入陶瓷研究。

 

 

敢啃硬骨头

       在清华，张杰的博士课题是“绿色燃烧合成制备高纯氮化硅粉体”。高纯氮化硅粉体需求量大，但彼时市场被国外龙头企业高度垄断，售价高，且随时面临断供风险。而国内的情况是，限于原料选择、工艺控制、设备设计等，生产出来的粉体在纯度、粒度、形貌、相组成等性能指标上均差距较大，难以满足高端应用所需。

       面对该现状，结合产业需求，导师给张杰的任务是要通过燃烧合成法制备出性能比肩国际先进水平的氮化硅粉体，且兼顾低成本、低能耗。这听上去是一个不可能完成的任务——氮化硅燃烧合成反应温度通常在1800℃以上，在传统的认知中，α-Si3N4在1300℃时就开始发生向β-Si3N4的不可逆相变，因此用燃烧合成法制备α-Si3N4简直是“天方夜谭”。

       为什么α-Si3N4只能在较低温度下制备？α-Si3N4制备到底哪些是影响因子？若采用合成燃烧法，关键一环在哪儿？......在导师指导下，带着这些问题，张杰反复琢磨背后的反应机理，巧妙利用H2O与Si之间的反应改变了高温下Si的反应路径，成功以气相路径合成了高品质α-Si3N4粉体。此后，张杰将自制的高质量氮化硅粉作为烧结原料，并不断根据高导热的需求逐项对原料改进优化，最终通过高温短时间烧结成功制备出了高导热氮化硅陶瓷。

 

反应釜和高品质α-Si3N4粉体

 

       目前，相关课题研究成果已产业化应用，采用燃烧合成法工艺生成的低成本、高品质氮化硅及高导热助剂，获得国内外极高认可，甚至成功返销海外高端市场。

 

挑战世界难题

       博士课题顺利推进的同时，张杰被导师安排了更具挑战性的课题——如何攻克陶瓷温室脆性。这是一个困扰国内外学者数百年的难题，导师团队也已经持续攻关十多年。

       易碎，这是人类对陶瓷数千年的认知。尽管先进结构陶瓷材料具有高硬度、耐磨损、耐高温等优点，是重大工程和尖端技术中不可或缺的关键材料，但脆性这一难题久久未能突破，严重限制了陶瓷的适用性。

       师兄向他展示了一颗黑色陶瓷轴承球，球的一处瘪了。师兄告诉他，这颗陶瓷球被锤子砸了一下，发生了变形，但没有碎。

       陶瓷，竟然能变形而不裂不碎！这颗小小的陶瓷球犹如砸中牛顿的那颗苹果，击中了张杰。

       不过，这颗可形变陶瓷球诞生于一次烧结炉故障，纯属偶然。如何复现塑性陶瓷球的奇迹？

       结果摆在那里，复现只是时间问题。张杰很自信：还原发生故障时的工况，不停尝试，肯定会试出来，有了工艺参数再研究机理。一时想不出更好办法的师兄也在采取类似的方案。于是，大家就像“愚公移山”一般，日复一日进行烧结炉故障工况重组。

       然而，该摸索的工艺都试了，各种参数来来回回调了无数次，可就是烧不出来。这个靠不懈努力依然够不到的“梦”给张杰上了一课。一次讨论中，导师叫停了“烧炉子”，提醒张杰将工程问题转换成科学问题展开研究。导师的一番话启迪了张杰，他重拾激情，从机理上拆解如何实现陶瓷温室塑性，在无数次的理论与实验的碰撞中迎来了“突破”的开始。

       某天的一次实验中，张杰有了意外发现：一个完整的氮化硅晶态颗粒中，同时包含α和β两相。导师提出是否存在室温外力作用下β→α逆相变？

       传统认知里，α相在1300℃时开始发生向β相的不可逆相变；而室温下，无论是α→β，还是β→α均不可能实现。

       在导师鼓励下，张杰通过高速碰撞实验，成功复现了β→α逆相变，确认了这一个挑战传统认识的“首次发现”。

       “为什么别人没有发现，而唯独你发现了?”当我们抛出这个问题时，张杰谦逊地回答：“这样的‘反常’或许也出现在此前的实验中，只是被忽略了吧。”确实，人们总倾向于看到期望的东西，那些未被纳入框架的现象、与既定秩序相悖的“反常”往往不会被注意到。

       室温下β→α逆相变已然存在，它会不会是那颗陶瓷球能变形而不裂不碎的关键呢？神奇陶瓷球背后的晶相及微观结构又是什么呢？

       相变，自然要从晶体结构入手。那段时间，张杰每天都在翻转氮化硅的两种晶体结构，从这两种结构中找找相同，再找找不同。一次组会讨论中，灵感闪现：α和β两项之间也许是通过滑移构成一种强界面结合的共格结构，从而实现β→α逆相变。

 

共格界面的双相α/β-Si3N4陶瓷的显微结构

 

       之后，在导师的指导下，张杰和小伙伴们成功设计制备出了α/β氮化硅共格结构。这种结构在外力作用下，不断发生原子之间价键的切换、层间界面滑移，实现β→α逆相变，也正是这种相变滑移的方式为陶瓷提供了塑性变形的能力。

       陶瓷球“瘪”而不裂的谜底解开了！以张杰等三人为一作的“结构陶瓷论文”登上了 Science。审稿人认为这是一项“new and exciting work”，对陶瓷领域而言是一个“breakthrough”。

 

 

       塑性陶瓷，一直是结构陶瓷研究的重要前沿，但也是一项几乎不可能完成的任务，因此很难有经费支持。“十多年来，大家完全是出于兴趣与信念，毫不在意是否有结果，在导师的带领下，痴心逐梦。”张杰感慨，导师那种“板凳甘坐十年冷”的精神感召着我们，才有了开创性成果的诞生。

 

 

未来可期

       十年前，“命运的签”将张杰与陶瓷连接到了一起。“庆幸导师总能在我迷茫、受挫的时候为我校准方向、指点迷津，师兄们也给予我大量的帮助，这才让我在学术生涯之初就顺利起步。”张杰坦言。

       如今，已经站在了全球陶瓷研究领域最前端的他希望这项成果能加速走向应用——制备出性能同样优异的宏观块材；实现氮化硅的室温拉伸塑性，通过彻底解决陶瓷脆性问题带动众多领域的“技术革命”，开启“新石器时代”。

       同时，这一“突破性”成果和其产业化前景，也引起了众多科研机构的关注，纷纷向张杰抛出了橄榄枝。最终，他为甬江实验室的理念与诚意所打动，决定来宁波继续追梦。

       入职实验室6个月来，张杰抓紧平台搭建、团队组建，也在这个过程中充分感受到实验室的专业管理能力和超前服务意识。在各类项目申报中，实验室为他提供专业细心的指导；如果需要采购设备，只需要提出完整的需求，余下的事情全部交由实验室采购部门完成，等等。张杰表示，正是有了实验室的护航，在团队建设起步阶段，仍能确保自己有充足的时间和精力投入到科研中，加速在陶瓷塑性上的攻关。

       “来对了！”张杰说，“甬江实验室是一个有魄力的平台，给我们这么大的支持力度，非常感动，也会倍加珍惜。”

       打造国际一流的结构陶瓷研究机构，探索新型陶瓷材料的制备与性能调控等方面的颠覆性技术，实现陶瓷在航空航天、电子、医疗等多领域的工程化应用，促进世界材料科学领域的进步和发展……张杰擘画先进结构陶瓷研究中心未来图景，也希望更多志同道合、敢想敢为的小伙伴能加入到团队中来，与他一起追梦。

 

 

       东海之滨，甬江畔，承载着张杰们的梦想，“新石器时代”未来可期。