西工大蘇海軍教授團(tuán)隊：熱壓燒結(jié)SiCw增強(qiáng)Al2O3/ZrO2共晶陶瓷實現(xiàn)共晶結(jié)構(gòu)精細(xì)化與力學(xué)性能協(xié)同提升

第一作者：路寶豪；通訊作者：蘇海軍

通訊單位：西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室；西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院

DOI：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.03.394

1全文速覽

近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊提出微觀組織遺傳+晶須介導(dǎo)Zener釘扎+分步熱壓燒結(jié)一體化策略，成功制備了SiC晶須(SiCw)增強(qiáng)Al2O3/ZrO2共晶陶瓷復(fù)合材料，針對性解決了燒結(jié)共晶陶瓷(SECs)本征低斷裂韌性的核心痛點，同時突破了燒結(jié)過程中致密化與共晶片層粗化難以兼顧的固有瓶頸。團(tuán)隊以激光懸浮區(qū)熔定向凝固(LFZM)制備的共晶棒經(jīng)破碎得到的超細(xì)共晶粉體(初始片層間距λ=0.224 μm)為基體，引入5-15 vol% SiCw并實現(xiàn)均勻分散，定量揭示了SiCw對燒結(jié)與粗化過程的雙向動力學(xué)調(diào)控機(jī)制：燒結(jié)表觀活化能降低23.4%以促進(jìn)低溫致密化，同時使片層粗化活化能提升31.1%以抑制結(jié)構(gòu)粗化；僅5 vol% SiCw添加量下，共晶片層粗化率就被嚴(yán)格控制在8.9%，材料相對密度達(dá)98.73%，彎曲強(qiáng)度達(dá)565 MPa，SENB(單邊切口梁法)斷裂韌性達(dá)7.32 MPa·m1/2，較未增強(qiáng)基體提升61.6%。該研究系統(tǒng)闡釋并實驗驗證了該體系材料性能非單調(diào)演變的三大微觀結(jié)構(gòu)競爭機(jī)制，定量解析了各增韌機(jī)制的貢獻(xiàn)占比，明確晶須拔出為核心增韌機(jī)制(貢獻(xiàn)占比超54%)，為大尺寸、高性能共晶陶瓷的可控制備與工程化應(yīng)用提供了關(guān)鍵理論與技術(shù)支撐。

2研究背景

隨著航空航天等高溫工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，極端服役環(huán)境對結(jié)構(gòu)材料提出了嚴(yán)苛要求。傳統(tǒng)鎳基高溫合金受熔點限制，1150 ℃以上力學(xué)性能顯著衰減，已無法滿足下一代航空發(fā)動機(jī)的升級需求。Al2O3/ZrO2基氧化物共晶陶瓷憑借優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性與三維互穿共晶結(jié)構(gòu)，成為極具潛力的替代材料。目前定向凝固制備的高性能共晶陶瓷受限于尺寸瓶頸，難以制備大尺寸構(gòu)件；燒結(jié)共晶陶瓷雖破解了尺寸難題，卻仍面臨本征斷裂韌性不足、燒結(jié)致密化與共晶片層粗化難以兼顧的行業(yè)共性瓶頸，且現(xiàn)有研究對該體系的燒結(jié)動力學(xué)調(diào)控、微觀組織與性能的構(gòu)效關(guān)系缺乏系統(tǒng)定量認(rèn)知。為此，本研究以SiCw為增強(qiáng)體，以激光懸浮區(qū)熔制備的超細(xì)Al2O3/ZrO2共晶粉體為基體，通過分步熱壓燒結(jié)制備復(fù)合材料，系統(tǒng)揭示SiCw對體系組織演變與強(qiáng)韌化機(jī)制的調(diào)控規(guī)律，為大尺寸高性能共晶陶瓷的可控制備與工程化應(yīng)用提供理論與技術(shù)支撐。

3本文亮點

本研究提出超細(xì)共晶組織遺傳+SiCw Zener釘扎調(diào)控+分步熱壓燒結(jié)協(xié)同策略，突破了燒結(jié)共晶陶瓷致密化與結(jié)構(gòu)粗化難以兼顧的核心瓶頸，在1550 ℃下實現(xiàn)98.73%近全致密化的同時，將共晶片層粗化率嚴(yán)格控制在8.9%以內(nèi)；定量揭示了SiCw雙向動力學(xué)調(diào)控機(jī)制，5 vol% SiCw可使燒結(jié)表觀活化能降低23.4%、片層粗化活化能提升31.1%，同步細(xì)化Al2O3基體晶粒16.5%。該添加量下材料SENB斷裂韌性較未增強(qiáng)基體提升61.6%，達(dá)7.32 MPa·m1/2，兼具564.65 MPa彎曲強(qiáng)度與18.65 GPa維氏硬度，綜合性能居同體系領(lǐng)先水平。同時闡明了材料性能非單調(diào)演變的三大微觀結(jié)構(gòu)競爭機(jī)制，明確晶須拔出為核心增韌機(jī)制(貢獻(xiàn)占比54.6%)，為該類材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化提供了關(guān)鍵理論支撐。

4圖文解析

本研究構(gòu)建了目標(biāo)材料全流程可控制備工藝，如圖1所示，核心流程為配料成型制備前驅(qū)體、LFZM定向凝固獲超細(xì)共晶棒材、破碎分級制得保留原生共晶結(jié)構(gòu)的粉體、MEA輔助工藝實現(xiàn)SiCw均勻分散、分步熱壓燒結(jié)實現(xiàn)致密化與組織穩(wěn)定協(xié)同調(diào)控，最終制得大尺寸高性能陶瓷塊體。其中多級濕篩工藝最大程度保留了粉體超細(xì)共晶結(jié)構(gòu)，MEA分散體系有效抑制SiCw團(tuán)聚，為后續(xù)性能調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

圖1 SiCw增強(qiáng)Al2O3/ZrO2復(fù)合材料的制備工藝流程示意圖：(a)前驅(qū)體制備；(b)激光懸浮區(qū)熔法(LFZM)定向凝固工藝；(c-d)共晶陶瓷粉體的制備；(e-f)SiCw的分散與混合粉體的制備；(g)熱壓燒結(jié)工藝

圖2揭示了共晶片層間距與定向凝固抽拉速率的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，證實10-200 μm/s范圍內(nèi)，片層間距與抽拉速率的平方根呈嚴(yán)格線性關(guān)系，符合經(jīng)典Jackson-Hunt模型()；200 μm/s抽拉速率下可將共晶片層間距細(xì)化至0.224μm，同時保證試樣無宏觀缺陷，為后續(xù)研究鎖定了最優(yōu)超細(xì)共晶粉體原料。

圖2 Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的共晶片層間距、微觀組織形貌及其與凝固速率的關(guān)聯(lián)規(guī)律：(a)線性擬合結(jié)果；(b)共晶片層間距隨抽拉速率的變化規(guī)律；(c)不同抽拉速率下Al2O3/ZrO2定向凝固共晶陶瓷的形貌特征

圖3直觀展現(xiàn)了破碎分級篩分后共晶粉體的微觀形貌，證實粉體橫截面與縱截面均完整保留了定向凝固態(tài)的三維互穿超細(xì)共晶結(jié)構(gòu)，無明顯組織破壞，實現(xiàn)了優(yōu)異的微觀組織遺傳，為燒結(jié)后塊體材料保留超細(xì)共晶結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)高性能奠定了核心結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖3 共晶粉體顆粒橫截面與縱截面中保留的共晶微觀組織：(a)單顆共晶粉體顆粒的整體形貌；(b)單顆共晶粉體顆粒的橫截面；(c)單顆共晶粉體顆粒的縱截面；(d)單顆共晶粉體顆粒內(nèi)部保留的共晶微觀組織；(e-f)共晶粉體顆粒橫截面與縱截面中保留的共晶微觀組織

圖4基于燒結(jié)原位實時數(shù)據(jù)劃分了致密化的四個特征階段，同時定量對比了未增強(qiáng)基體與5 vol% SiCw試樣的燒結(jié)表觀活化能(表1)。結(jié)果顯示，5 vol% SiCw可將體系燒結(jié)活化能降低23.4%，證實其能有效降低原子擴(kuò)散能壘，強(qiáng)化晶界擴(kuò)散機(jī)制，實現(xiàn)低溫致密化。

圖4 5 vol% SiCw增強(qiáng)Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的燒結(jié)致密化行為與作用機(jī)理：(a)燒結(jié)位移曲線；(b1-b3)1550 ℃燒結(jié)過程中共晶粉體的致密化機(jī)理模型，分別對應(yīng)28 ℃-800 ℃(b1)、800 ℃-1546 ℃(b2)及1546 ℃以上(b3)三個階段

表1 不同SiCw含量試樣的燒結(jié)與擴(kuò)散活化能對比

Specimen

Sintering apparent

(KJ·mol-1)

Grain boundary diffusion

(KJ·mol-1)

Volume diffusion

(KJ·mol-1)

AZ

486±21

328±15

475±18

AZW5

372±14

284±11

452±16

AZW10

458±19

315±13

468±17

AZW15

415±16

302±12

461±15

圖5直觀呈現(xiàn)了5 vol%、10 vol%、15 vol% SiCw增強(qiáng)試樣的燒結(jié)微觀形貌與EDS元素分布特征，清晰揭示了SiCw在共晶基體中的分布規(guī)律：5 vol% SiCw均勻分散于共晶顆粒邊界，無明顯團(tuán)聚，可充分發(fā)揮晶界釘扎作用；10 vol% SiCw出現(xiàn)局部團(tuán)聚，易形成應(yīng)力集中源；15 vol% SiCw則形成三維互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合定量數(shù)據(jù)驗證，初始定向凝固態(tài)共晶片層間距僅0.224 μm，未增強(qiáng)基體燒結(jié)后片層間距增至0.236 μm(粗化率5.4%)，而5 vol% SiCw試樣燒結(jié)后片層間距僅0.244 μm，較初始態(tài)粗化率僅為8.9%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燒結(jié)20%-40%的粗化水平。即使SiCw含量升至15 vol%，片層間距仍僅0.255 μm；同時5 vol% SiCw可將Al2O3基體晶粒尺寸細(xì)化16.5%，為SiCw的Zener晶界釘扎效應(yīng)、以及對共晶片層粗化的顯著抑制作用提供了直觀形貌證據(jù)與定量數(shù)據(jù)支撐。

圖5 不同SiCw含量的Al2O3/ZrO2/SiCw燒結(jié)共晶陶瓷微觀組織與能譜(EDS)分析：(a1-a3)5 vol% SiCw試樣；(b1-b3)10 vol% SiCw試樣；(c1-c3)15 vol% SiCw試樣

圖6展示了材料致密度、維氏硬度、彎曲強(qiáng)度與斷裂韌性隨SiCw含量的變化規(guī)律，所有性能均呈現(xiàn)先升高、后降低、再小幅回升的非單調(diào)演變趨勢，性能峰值均出現(xiàn)在5 vol% SiCw添加量。該配比下試樣相對密度達(dá)98.73%，斷裂韌性較未增強(qiáng)基體提升61.6%，綜合性能遠(yuǎn)超同體系已報道的未增強(qiáng)燒結(jié)共晶陶瓷。

圖6 Al2O3/ZrO2燒結(jié)共晶陶瓷與定向凝固Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的性能對比

圖7系統(tǒng)闡釋了決定材料性能非單調(diào)演變的三大微觀結(jié)構(gòu)競爭機(jī)制，清晰劃分了分散主導(dǎo)、團(tuán)聚缺陷、網(wǎng)絡(luò)形成三個特征區(qū)間，同時定量解析了各增韌機(jī)制的貢獻(xiàn)占比。結(jié)果證實，5 vol% SiCw的分散主導(dǎo)區(qū)可充分激活增韌機(jī)制，其中晶須拔出為核心增韌機(jī)制，貢獻(xiàn)占比達(dá)54.6%，為材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化提供了核心理論支撐。

圖7 SiCw增強(qiáng)Al2O3/ZrO2共晶復(fù)合材料三大微觀結(jié)構(gòu)特征區(qū)及其對應(yīng)增韌機(jī)制示意圖

圖8通過斷口微觀形貌表征，為體系增韌機(jī)制與三大微觀結(jié)構(gòu)競爭機(jī)制提供了直接實驗佐證。5 vol% SiCw試樣斷口呈典型韌性斷裂特征，晶須拔出、橋接結(jié)構(gòu)清晰可見，與晶須拔出為核心增韌機(jī)制(貢獻(xiàn)占比54.6%)的定量結(jié)論完全吻合，直觀印證其可充分激活增韌效應(yīng)，實現(xiàn)斷裂韌性61.6%的大幅提升；10 vol% SiCw試樣因晶須團(tuán)聚出現(xiàn)局部脆性斷裂區(qū)，增韌效應(yīng)弱化，性能顯著衰減；15 vol% SiCw試樣可見晶須三維網(wǎng)絡(luò)形成的長程橋接結(jié)構(gòu)，增韌機(jī)制重新激活，與性能小幅回升的規(guī)律形成呼應(yīng)。

圖8 不同SiCw含量燒結(jié)共晶陶瓷的斷口微觀組織及斷口孔隙內(nèi)SiCw的分布：(a1-a4)5 vol% SiCw試樣；(b1-b4)10 vol% SiCw試樣；(c1-c4)15 vol% SiCw試樣

5結(jié)論展望

本研究基于微觀組織遺傳+晶須介導(dǎo)粗化抑制+分步熱壓燒結(jié)一體化策略，以LFZM定向凝固制備的共晶棒經(jīng)破碎得到的超細(xì)共晶粉體為原料，通過配套分散與分步熱壓燒結(jié)工藝，在1550 ℃下實現(xiàn)98.73%近全致密化的同時將共晶片層粗化率控制在8.9%以內(nèi)，破解了燒結(jié)共晶陶瓷致密化與結(jié)構(gòu)粗化的固有核心矛盾；研究證實SiCw具有雙向動力學(xué)調(diào)控作用，可使燒結(jié)表觀活化能降低23.4%以促進(jìn)低溫致密化，同時使片層粗化活化能提升31.1%以抑制晶粒粗化，5 vol% SiCw試樣斷裂韌性達(dá)7.32 MPa·m1/2，較未增強(qiáng)基體提升61.6%，兼具優(yōu)異的硬度與彎曲強(qiáng)度，綜合性能居同體系領(lǐng)先水平；同時闡明了材料性能隨SiCw含量非單調(diào)演變的三大微觀結(jié)構(gòu)競爭機(jī)制，明確晶須拔出為核心增韌機(jī)制(貢獻(xiàn)占比超54%)。本研究為大尺寸高性能共晶陶瓷復(fù)合材料的可控制備提供了可靠路徑，為航空航天極端環(huán)境用高溫結(jié)構(gòu)材料開發(fā)提供了全新思路，推動其工程化應(yīng)用進(jìn)程。

6課題組簡介

蘇海軍，西北工業(yè)大學(xué)長聘二級教授、博士生導(dǎo)師。國家級領(lǐng)軍人才，國家優(yōu)青，中國有色金屬創(chuàng)新爭先計劃獲得者。入選國家首批“香江學(xué)者”計劃、陜西省“青年科技新星”、陜西省冶金青年科技標(biāo)兵、陜西省金屬學(xué)會優(yōu)秀科技工作者，擔(dān)任陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊學(xué)術(shù)帶頭人、陜西重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊帶頭人和先進(jìn)高溫合金陜西省高校重點實驗室主任。長期從事先進(jìn)定向凝固技術(shù)與理論及新材料研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫復(fù)合陶瓷、生物陶瓷、鈣鈦礦太陽能電池、結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料以及定向凝固與增材制造技術(shù)等。主持包括國家重點研發(fā)計劃項目，國家自然基金重點、優(yōu)青等7項國家基金在內(nèi)的30余項國家級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters等知名期刊發(fā)表論文200余篇。獲授權(quán)中國發(fā)明專利60余項以及3項美國發(fā)明專利，參編專著3部。獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎、二等獎，中國交通運輸協(xié)會科學(xué)技術(shù)二等獎，寧波市科技進(jìn)步一等獎，陜西高校科學(xué)技術(shù)研究優(yōu)秀成果特等獎，陜西省冶金科學(xué)技術(shù)一等獎，全國有色金屬優(yōu)秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。

7引用本文

Baohao Lu, Haijun Su*, Xinghui Li, Ruotong Wang, Hanrui Dang, Shengyang Yu, Hao Jiang, Minghui Yu, Zhonglin Shen, Yinuo Guo, Yun Zhang, Peixin Yang, Min Guo, Wenchao Yang, From refined eutectic architecture to enhanced mechanical properties: Microstructure evolution and toughening behavior in SiC whisker-reinforced eutectic ceramics composites via hot-pressing [J], Ceramics International, 2026, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.03.394.

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊支持。

近期學(xué)術(shù)會議推薦

歡迎留言，分享觀點。點亮?