西工大蘇海軍團隊Compos B Eng：高速定向凝固助力高熱穩定納米復合共晶陶瓷

導讀

隨著溫度升高，材料內部緊密排列的微觀粒子振動加劇，材料的微觀結構將向著整體能量更低的形式轉變。大多數情況下，這種轉變會使材料的使用性能和壽命下降，進而嚴重限制材料的服役條件。因此，如何設計材料的成分和微觀結構來抑制這種結構轉變趨勢一直是材料科學領域的熱點問題。一直以來，元素摻雜是人們關注的熱點方法，其基本原理是通過引入異質結構對材料高溫結構轉變過程設置障礙，提升穩定性。此外，也可以激活化學有序化或者晶界偏析等機制，降低高溫結構轉變的驅動力，進而阻止或者減緩材料高溫失效。近20年來，晶界弛豫受到廣泛關注，該方法利用材料的劇烈塑性變形，誘導低能晶界的形成，降低材料結構高溫粗化的驅動力，可以顯著提升納米材料的高溫穩定性。值得注意的是，該方法可以在單質金屬材料中實現，避免了元素摻雜存在的材料回收難題。此外，通過進一步約束變形形成的Schwarz結構甚至可以使納米材料在接近熔點的溫度保持穩定。

利用定向凝固獲得原位自生復合的耐高溫共晶復合材料在近20年來也受到了廣泛關注，該方法的主要優勢是既能通過自發形成的共格/半共格低能相界面降低結構粗化的驅動力，又可以依靠交替的復相結構抑制微觀粒子的熱運動，同樣可以使材料在接近熔點的溫度保持結構和性能不降低，且可以實現大塊體材料的制備，具有廣泛的應用前景。然而，目前只能在微米結構尺度實現以上效果。在納米尺度，這種耐高溫機制能否繼續發揮作用，定向凝固能否成為解決納米材料熱穩定性難題的有效方法，一直缺乏一錘定音的研究報道。

成果掠影

最近，西北工業大學蘇海軍教授團隊依靠激光懸浮區熔高梯度定向凝固技術提供的超高凝固速度(1080mm/h)成功制備了具有均勻納米層-棒結構的Al₂O₃–Y₃Al₅O₁₂(YAG)–ZrO₂共晶復合陶瓷棒，在此基礎上系統研究了該材料的高溫組織穩定性。研究表明，高速定向凝固依然可以誘導形成高度織構的納米復合共晶結構，其相界面結構在長時間熱暴露前后均為低能界面，可以賦予材料優異的高溫結構熱穩定性，其納米結構在1573 K的高溫保持100 h后依然未出現明顯粗化。此外，通過與陶瓷材料的傳統燒結方法在熱穩定方面進行了對比研究，揭示了凝固共晶特有的高溫結構演化模式，使其在高溫環境下依然可以保持材料硬度、結構尺度與均勻性、內部孔隙尺寸，密度等指標的穩定性，明顯優于傳統燒結方法。

相關研究成果以” Excellent thermal stability of nanostructured Al₂O₃–Y₃Al₅O₁₂–ZrO₂ eutectic ceramic composites by high-speed directional solidifcation” 為題發表在Composites part B: engineering上。(DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.111035)

圖文解析

圖1，均勻納米層-棒結構的Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶復合陶瓷。a 激光懸浮區熔定向凝固過程；b 試棒宏觀形貌；c 試棒橫截面BSE圖；d 試棒縱截面BSE圖；e-f 層狀和棒狀結構的TEM圖

圖2，熱暴露前后微觀組織對比。a-b 原始組織；c-d 1573K保溫100小時后組織；e-f 1773K保溫100小時后組織

圖3，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶復合陶瓷試樣的EBSD生長取向表征。a-b 試棒橫截面Al₂O₃相的IPF圖和對應的極圖；c-d 試棒橫截面YAG相的IPF圖和對應的極圖；e-f 試棒橫截面ZrO₂相的IPF圖和對應的極圖

圖4，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶復合陶瓷試樣原始相界面結構。a-c Al₂O₃–YAG界面的HRTEM圖以及對應的取向標定圖和IFFT圖；d-f Al₂O₃–ZrO₂界面的HRTEM圖以及對應的取向標定圖和IFFT圖；g-i YAG–ZrO₂界面的HRTEM圖以及對應的取向標定圖和IFFT圖

圖5，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶復合陶瓷試樣在1773K保溫100小時后的相界面結構。a-c Al₂O₃–YAG界面的HRTEM圖以及對應的取向標定圖和IFFT圖；d-f Al₂O₃–ZrO₂界面的HRTEM圖以及對應的取向標定圖和IFFT圖；g-i YAG–ZrO₂界面的HRTEM圖以及對應的取向標定圖和IFFT圖

圖6，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶復合陶瓷結構粗化過程解析

圖7，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶復合陶瓷與同成分傳統熱壓燒結陶瓷的熱穩定性對比。a-b 燒結試樣熱暴露前后的硬度測試壓痕對比；c-d 定向凝固試樣熱暴露前后的硬度測試壓痕對比

成果啟示

該工作系統深入的評估了高速定向凝固技術在解決納米材料熱穩定性方面的潛力，結果表明高速定向凝固在材料取向織構、界面優化方面具有明顯優勢，是提升納米材料熱穩定的有效手段，這為攻克納米材料熱穩定性差難題提供了重要的理論和技術參考，通過進一步優化成分設計，后續有望進一步取得更具突破性的進展。

通訊作者簡介

蘇海軍，西北工業大學材料學院教授、博士生導師。國家“萬人計劃”科技創新領軍人才，國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創新團隊學術帶頭人和陜西重點科技創新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究研究，涉及高溫合金、超高溫復合陶瓷、結構功能一體化復合材料，以及激光增材制造等。主持包括國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發表論文160余篇。獲授權中國發明專利50項以及2項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎、陜西省科學技術一等獎、陜西省冶金科學技術一等獎、全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。