北航郭林&岳永海ACS Nano : 雙相超高強度彈性陶瓷

【引言】

隨著航空航天領域的快速發展，對于新型航空航天材料的要求越來越高。氧化鋯作為一種性能優良的陶瓷材料，在耐高溫隔熱材料、結構增強材料以及耐化學腐蝕材料等領域具有廣泛的應用。氧化鋯陶瓷材料雖然具有很高的剛度和非凡的強度，但通常具有脆性，且拉伸強度不高，極大限制了其在航空航天等領域的應用。如何制備超強超韌的陶瓷材料是一個世界性的問題，一直吸引著科學家的興趣。非晶化和尺寸限制常被用作增強材料的有效策略。
對于非晶材料而言，由于缺乏位錯滑移的外部環境，其變形機制主要以剪切帶為主，但是，剪切帶軟化效應也限制了其力學性能的進一步提升；而對于晶體材料而言，當材料的尺寸下降到某一臨界尺寸時，反Hall-Petch效應開始起作用，傳統的位錯行為被晶界行為所取代， 材料的強度將不再隨著晶粒尺寸的減小而得到進一步的提升。 如何通過微觀結構設計，使材料能夠同時克服上述兩種效應，獲得性能更為優異的新型陶瓷材料將對陶瓷行業產生非常重要的借鑒意義。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學郭林教授團隊納米力學小組負責人岳永海副教授 (共同通訊作者)等為了克服上述兩種效應的限制，采用新型的結構設計以及超聲輔助液相反應法，在非晶氧化鋯陶瓷基體中成功引入超細納米晶，利用非晶基體抑制內部納米晶的晶界行為；利用納米晶實現了非晶內部尺寸的限制，成功抑制了剪切帶軟化效應，出色的微觀結構設計使得該一維雙相氧化鋯陶瓷納米線(DP-ZrO₂ NW)實現了強度、彈性及韌度的同時提升。研究成果，在ACS Nano上發表了題為“Dual-Phase Super-Strong and Elastic Ceramic”的研究論文。原位拉伸試驗表明，上述DP-ZrO₂ 納米線的彈性應變接近~7%，極限強度為3.52 GPa，并具有~151 MJ·m^-3的高韌性，使得該原位自生長DP-ZrO₂ 復合納米線成為目前最強、最韌的氧化鋯陶瓷材料。該發現提供了一種可有效改善陶瓷材料機械性能的可控制備方法，可作為一種普適方法推廣到其他材料體系中。

【圖文簡介】
圖1 雙相氧化鋯陶瓷納米線的表征

a) DP-ZrO₂ NWs的低倍SEM圖像；
b) DP-ZrO₂的XRD圖譜；
c) 單根DP-ZrO₂ NW的EDS元素分布，表明在納米線內部Zr和O元素呈均勻分布；
d) 從DP-ZrO₂ NW的橫截面樣品中獲取的HRTEM圖像，內插圖為紅色虛線框對應的快速傅里葉變換圖像。

圖2 原位SEM拉伸試驗實驗

a) 實驗所采用的原位拉伸裝置低倍SEM圖像；
b) 圖a中黃色區域的高倍SEM圖像；
c) 非晶、雙相和晶體氧化鋯納米線的單軸拉伸應力-應變曲線；
d) 直徑為~380 nm的單根DP-ZrO₂ 納米線的拉伸過程截圖。

圖3 三種典型的ZrO₂ NW的斷裂末端和相應的斷裂機制示意圖

a,b) 晶體ZrO₂ 納米線脆性斷裂模式；
c,d) 非晶ZrO₂ 納米線假設剪切帶滑動模式；
e,f) 雙晶ZrO₂ 納米線假設微剪切帶滑動和胚胎剪切帶生成模式。

圖4 不同DP-ZrO₂ NWs強度的尺寸效應和結晶度效應

a) 具有不同晶尺寸和結晶度的ZrO₂ NW的應力-應變曲線；
b) DP-ZrO₂ NWs的極限強度和結晶度隨尺寸和結晶度的變化趨勢圖。

圖5 相關材料力學性能匯總和比較

a) 納米基和微米基材料的拉伸強度和韌度的比較；
b) 該工作中的材料和其他傳統材料之間的強度和密度比較。

【小結】

綜上所述，作者采用化學合成并結合精準的熱處理工藝，成功制備了三種ZrO₂納米線(非晶、雙相和晶體氧化鋯納米線)。SEM中的原位拉伸試驗表明，通過無定形和納米晶結構的可控組合成功地抑制了剪切帶軟化效應和反Hall-Petch效應，在400℃下處理的DP-ZrO₂ NW具有最優異的機械性能。該雙相ZrO₂ 納米線的極限強度達到3.52 GPa，最高彈性應變極限接近~7 %，韌度達到~151 MJ·m^-3，使其成為目前最強、最韌的氧化鋯陶瓷材料，同時還具有較低的模量(34-43 GPa)。雖然該雙相結構材料是在一維納米材料中實現，但該結構設計方案是一種有效的材料增強策略，可應用于其他脆性陶瓷材料中并拓寬其應用范圍。

文獻鏈接：Dual-Phase Super-Strong and Elastic Ceramic (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b09195)

【通訊作者簡介】

郭林，男，教授，博士生導師。教育部長江學者獎勵計劃特聘教授；國家杰出青年基金、國務院政府特殊津貼、寶鋼優秀教師獎獲得者；新世紀百千萬工程國家級人選。研究方向集中在納米材料的制備、微結構表征和特性研究方面。承擔國家杰出青年基金、國家自然科學基金重點基金、國家“863”項目、國家“973”課題等多項課題。研究成果在國內外化學、材料領域重要期刊(如： J. Am. Chem. Soc., Angw. Chem. Inter. Ed.，Adv. Mater.，Nat. Commun.)等上發表260余篇SCI收錄論文。 指導的博士生的論文2篇獲北京市優秀博士論文, 1篇獲全國百篇優秀博士論文；作為第一獲獎人，2010年獲教育部自然科學一等獎，2013年獲國家自然科學二等獎。

岳永海，男，北京航空航天大學化學學院，副教授，博士生導師，郭林教授團隊納米力學小組負責人。2013年北京市優秀博士學位論文獲得者。研究方向集中在材料強韌化機制的原位研究及新型輕質高強結構材料的制備及性能研究上。承擔國家自然科學基金等項目，發表SCI論文30余篇，以第一/通訊作者身份在國內外化學、材料領域重要期刊如Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Nano. Lett.，ACS Nano等期刊上發表論文10余篇，獲得2016年北京市科技一等獎(第6順位)。

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