东华丁彬/刘一涛团队在陶瓷纳米纤维材料方面取得新进展

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陶瓷是人类社会不可或缺的重要材料，但其固有的脆性与不可变形性却严重制约了其在前沿技术中的应用。例如，高速飞行器的热防护涉及剧烈冲击和高频振动的力学环境，而柔性可穿戴设备则需要承受反复的扭曲或弯折应力；这些应用场景要求陶瓷元件集高强度、大弯曲应变、甚至塑性变形于一体，但这对于传统陶瓷材料而言是难以想象的。在此背景下，一维陶瓷纳米纤维的研制与发展，为解决陶瓷材料的脆性问题提供了重要方向。然而，由于传统制备方法所导致的多尺度缺陷以及微观结构难以精准调控的挑战，上述力学集成至今尚未在陶瓷纳米纤维上得以实现。近日，东华大学丁彬教授、刘一涛教授首次合成了一种具有线性结构的无机分子长链，并利用其纺丝创制了具有柔/弹特性的陶瓷纳米纤维材料，实现了纤维各项力学属性的全面增强。研究成果以《集高强度、柔性与室温塑性于一体的陶瓷纳米纤维》（Integration of high strength, flexibility, and room-temperature plasticity in ceramic nanofibers）为题，发表于《自然通讯》（Nature Communications）。直接用于静电纺丝（“自模板”方法），有效突破了传统制备路线中严重依赖聚合物模板的瓶颈问题。在此基础上，研究团队进一步提出了基于界面成核调控的结晶/非晶双相结构陶瓷纳米纤维的成型方法，所得的双相结构氧化钛（TiO2）纳米纤维具有致密无缺陷的形貌和纳米晶均匀分布的弥散化结构，使陶瓷单纤维兼具高强度、优异柔性与室温塑性。以典型的脆性陶瓷材料—TiO2为例，非晶基质中均匀嵌入的纳米晶起到关键的结构稳定化作用，而非晶基质则充当软边界以充分耗散外部应力。此外，优化后的双相构型有效缓解了跨尺度的局部应力集中问题，充分激活了包括键切换、晶粒旋转和剪切带延迟激活在内的多重变形机制，使得TiO2纳米纤维的拉伸强度、应变极限和弯曲柔性得以同步提升，其拉伸强度可达1.06 GPa、拉伸应变极限为8.44%，且表现出极佳的弯曲柔性（曲率半径< 0.47 μm）。研究团队进一步将陶瓷纳米纤维组装为二维纤维膜与三维纤维气凝胶，分别展示出优异的柔性和弹性特征，论证了其在极端应用场景或复杂应力环境中的巨大潜力与重要价值。