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陶瓷材料由于其优异的性质广泛地应用于各个领域。然而，由于陶瓷自身脆性限制了其应用。近年来，人们发现非晶结构可改善陶瓷的脆性，但其内在机理尚不清楚。本文选取 AlN 为研究对象，基于分子动力学(MD)模拟研究非晶AlN(a-AlN)力学特性及塑性变形机理，并基于其力学特性对双相 AlN 和纳米玻璃AlN陶瓷力学性能进行研究。主要研究成果如下：
(1) 研究表明 a-AlN 延性的提高主要是由于其结构的自修复机制。与单晶AlN(w-AlN)相比，a-AlN的延性可提高33.3%。与w-AlN沿解理面脆性断裂不同， a-AlN 的破坏过程表现为剪切带以剪切转变区(STZ)—涡旋交替诱导机制形成，随后空洞在剪切带形核、长大，最终导致其破坏。a-AlN存在三种短程有序结构(SRO)和由SRO结构随机组成的不同种类的中程有序结构(MRO)。a-AlN 具有拉压不对称，其不对称屈服面可用Drucker-Prager准则很好地描述。由于压缩过程中晶化现象比拉伸过程明显，导致屈服点之前的拉压不对称。而压缩过程中不易形成剪切带以及准剪切带(PSB)间的交割导致屈服之后的拉压不对称。
(2) 与w-AlN相比，a-AlN对缺口的敏感性明显降低，断裂韧性显著提高。这可归因于变形过程中内部原子键的断裂、重组以及旋转。完整 a-AlN 试样和含缺口 a-AlN 试样的延性以及破坏过程均不相同。变形过程中，完整 a-AlN 试样中先形成完整的剪切带，进而在剪切带中形成空洞，最后破坏；而含缺口 a-AlN 试样则首先在缺口附近形成剪切转变区(STZ),然后形成空洞并发生聚合。
(3) 通过对单晶 AlN 颗粒体积分数(fv)、比表面积以及颗粒分布对双相AlN(nc-AlN)力学性质影响的研究，发现单晶颗粒fv≥ 40.9%且呈三角形分布的nc-AlN强度较高，延性较好。nc-AlN中存在应力集中，单晶颗粒和非晶基底分别处于静水拉应力和压应力状态，其值随着fv的增加而减小。当fv≥ 40.9%时，试样发生强化，可归因于剪切带的交割。当fv=40.9%时，单晶AlN颗粒中发生从纤锌矿相(B4)到类石墨烯相(GL)的逐层相变，可归因于较高的静水应力。然而，GL相并未进一步转变为岩盐相(B1)，这与压缩下的单晶结构(纤锌矿)不同。比表面积对nc-AlN 试样的塑性变形影响不大，可归因于高剪切模量的单晶颗粒限制了剪切带的扩展。单晶颗粒的分布对nc-AlN的力学行为起至关重要的作用。与方形分布(SD)和随机分布(RD)相比，三角形(TD)分布是最佳选择。尽管在TD和SD中均可能形成不完整剪切带，但在TD中，剪切带的运动被限制。屈服点以后，RD对应的变形与非晶AlN变形类似。
(4) 研究了不同非晶颗粒尺寸、温度和应变率对纳米玻璃 AlN(ng-AlN)力学性能的影响。当非晶颗粒尺寸减小到1 nm时，ng-AlN表现出超延性，变形均匀且没有空洞形成，这是由于变形过程中形成大量均匀分布的 STZ造成的。ng-AlNd=1nm的弹性模量对温度不敏感，但极限强度对温度敏感，且符合T2/3比例法则。高温下，均匀扩散流动伴随着扩散重排可以在低应力条件下发生，导致材料的强度下降。极限强度与应变率呈正相关幂函数关系。较高应变率下原子扩散和自由体积重排时间较短，导致可用的自由体积减少，从而阻碍STZ的活化，需要更高的应力才能将其激活。
本文的研究结果对理解非晶陶瓷延性提高的机理有重要意义，同时可为高性能陶瓷材料性能与微结构设计提供支撑。
(1) 研究表明 a-AlN 延性的提高主要是由于其结构的自修复机制。与单晶AlN(w-AlN)相比，a-AlN的延性可提高33.3%。与w-AlN沿解理面脆性断裂不同， a-AlN 的破坏过程表现为剪切带以剪切转变区(STZ)—涡旋交替诱导机制形成，随后空洞在剪切带形核、长大，最终导致其破坏。a-AlN存在三种短程有序结构(SRO)和由SRO结构随机组成的不同种类的中程有序结构(MRO)。a-AlN 具有拉压不对称，其不对称屈服面可用Drucker-Prager准则很好地描述。由于压缩过程中晶化现象比拉伸过程明显，导致屈服点之前的拉压不对称。而压缩过程中不易形成剪切带以及准剪切带(PSB)间的交割导致屈服之后的拉压不对称。
(2) 与w-AlN相比，a-AlN对缺口的敏感性明显降低，断裂韧性显著提高。这可归因于变形过程中内部原子键的断裂、重组以及旋转。完整 a-AlN 试样和含缺口 a-AlN 试样的延性以及破坏过程均不相同。变形过程中，完整 a-AlN 试样中先形成完整的剪切带，进而在剪切带中形成空洞，最后破坏；而含缺口 a-AlN 试样则首先在缺口附近形成剪切转变区(STZ),然后形成空洞并发生聚合。
(3) 通过对单晶 AlN 颗粒体积分数(fv)、比表面积以及颗粒分布对双相AlN(nc-AlN)力学性质影响的研究，发现单晶颗粒fv≥ 40.9%且呈三角形分布的nc-AlN强度较高，延性较好。nc-AlN中存在应力集中，单晶颗粒和非晶基底分别处于静水拉应力和压应力状态，其值随着fv的增加而减小。当fv≥ 40.9%时，试样发生强化，可归因于剪切带的交割。当fv=40.9%时，单晶AlN颗粒中发生从纤锌矿相(B4)到类石墨烯相(GL)的逐层相变，可归因于较高的静水应力。然而，GL相并未进一步转变为岩盐相(B1)，这与压缩下的单晶结构(纤锌矿)不同。比表面积对nc-AlN 试样的塑性变形影响不大，可归因于高剪切模量的单晶颗粒限制了剪切带的扩展。单晶颗粒的分布对nc-AlN的力学行为起至关重要的作用。与方形分布(SD)和随机分布(RD)相比，三角形(TD)分布是最佳选择。尽管在TD和SD中均可能形成不完整剪切带，但在TD中，剪切带的运动被限制。屈服点以后，RD对应的变形与非晶AlN变形类似。
(4) 研究了不同非晶颗粒尺寸、温度和应变率对纳米玻璃 AlN(ng-AlN)力学性能的影响。当非晶颗粒尺寸减小到1 nm时，ng-AlN表现出超延性，变形均匀且没有空洞形成，这是由于变形过程中形成大量均匀分布的 STZ造成的。ng-AlNd=1nm的弹性模量对温度不敏感，但极限强度对温度敏感，且符合T2/3比例法则。高温下，均匀扩散流动伴随着扩散重排可以在低应力条件下发生，导致材料的强度下降。极限强度与应变率呈正相关幂函数关系。较高应变率下原子扩散和自由体积重排时间较短，导致可用的自由体积减少，从而阻碍STZ的活化，需要更高的应力才能将其激活。
本文的研究结果对理解非晶陶瓷延性提高的机理有重要意义，同时可为高性能陶瓷材料性能与微结构设计提供支撑。