中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近日，哈工大航天學(xué)院復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所鄭永挺教授項(xiàng)目組在超高韌性、柱狀晶納米氧化鋁基陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究在陶瓷熔體急速冷卻過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了在微納尺度上調(diào)控粉體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，在粉末燒結(jié)過(guò)程中控制晶粒的幾何特征，為超高韌納米陶瓷的發(fā)展提供了新的技術(shù)原理。

氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的電性能、機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷材料之一。但其斷裂韌性較低，嚴(yán)重地限制了它在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用，從而增強(qiáng)氧化鋁陶瓷斷裂韌性成了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）陶瓷材料，它是在氧化鋁母相基質(zhì)中引入一定量的相變材料氧化鋯所形成的一種復(fù)相精細(xì)陶瓷材料。由于氧化鋁的硬度大、氧化鋯的韌性好，這兩種材料形成了高強(qiáng)度、高韌性的優(yōu)異復(fù)合體，在常溫下具有更高的抗折強(qiáng)度和斷裂韌性，因而具有出色的耐磨性能。因此這種復(fù)相陶瓷材料既具有氧化鋯陶瓷高韌和高強(qiáng)度的特性，又具有氧化鋁陶瓷高硬度的優(yōu)點(diǎn)，而且隨著這種綜合力學(xué)性能的提高，其耐磨性也得到了較大的提高。

其中，要制得高韌性的氧化鋁基陶瓷，制備出性能優(yōu)異的ZrO₂／Al₂O₃復(fù)合粉體是重要前提。目前復(fù)合粉體的制備工藝有混合法、溶膠-凝膠法、共沉淀法和沉淀包裹法等不同方法。其中的關(guān)鍵是，既要保證ZrO₂的顆粒細(xì)度小且顆粒度分布范圍窄；又要保證ZrO₂的均勻分散，使Al₂O₃ 顆粒能夠包裹ZrO₂，以產(chǎn)生良好的增韌效果。

鄭永挺教授項(xiàng)目組首創(chuàng)了“Al-O₂超高溫燃燒合成+熔體快速水冷”方法，研制了新型超高溫熔體水冷霧化設(shè)備，合成氧化鋁/氧化鋯亞穩(wěn)態(tài)微米粉（圖a），粉體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)（圖b），在燒結(jié)致密化過(guò)程中，原位誘發(fā)了具有高密度多級(jí)氧化鋯納米結(jié)構(gòu)、亞微米柱狀晶的氧化鋁基陶瓷（圖c, d），可實(shí)現(xiàn)多級(jí)納米結(jié)構(gòu)、柱狀晶、氧化鋯t-m相變等多因素的協(xié)同增韌，大幅度提高了陶瓷的力學(xué)性能，產(chǎn)品兼具極高的硬度（HV20GPa）和極佳的韌性（16MPa•m^1/2），其技術(shù)原理可廣泛應(yīng)用于高性能先進(jìn)陶瓷的生產(chǎn)制造。

相較于傳統(tǒng)納米復(fù)合陶瓷的工藝方法，該研究成果具有以下優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)物具有多級(jí)高密度、細(xì)密均勻的納米結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸約500納米，晶內(nèi)納米增強(qiáng)相約50納米；實(shí)現(xiàn)陶瓷內(nèi)部大量亞微米柱狀晶自發(fā)生長(zhǎng)，柱狀晶與基體原子級(jí)結(jié)合緊密，強(qiáng)韌化效果顯著提高；經(jīng)濟(jì)高效、成本低，適于工業(yè)化量產(chǎn)；粉體合成及燒結(jié)工藝綠色環(huán)保、無(wú)污染，避免納米粉液相生產(chǎn)工藝帶來(lái)的污染問(wèn)題；制備納米陶瓷的原料為球形、微米級(jí)固溶體粉末，避免了納米粉末易團(tuán)聚、難分散、成型困難等問(wèn)題，大幅降低成型工藝的難度和成本。

此外，項(xiàng)目組在“超高溫燃燒合成+熔體快速水冷霧化”技術(shù)方面，取得了多項(xiàng)研究成果。前期已成功制備了氧化鋁/氧化鋯的過(guò)飽和固溶體微米粉和納米共晶粉末，燒結(jié)制備了高密度納米結(jié)構(gòu)等軸晶納米陶瓷，在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性相變過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控。相關(guān)成果發(fā)表于《歐洲陶瓷協(xié)會(huì)》和《美國(guó)陶瓷協(xié)會(huì)》雜志，獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利9項(xiàng)、國(guó)際專利1項(xiàng)。

參考來(lái)源：陶瓷 Ceramic、哈爾濱工業(yè)大學(xué)