近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所先進(jìn)碳化物課題組在碳化物固溶體納米復(fù)相陶瓷研發(fā)上取得了重要進(jìn)展。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等資助支持。相關(guān)成果以“Cross-scale microstructure design of precursor-derived SiC-AlN nanoceramic composites hybrid with ex-situ ZrB2”為題發(fā)表在期刊《Advanced Powder Materials》（https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100063）上，該論文通訊作者為殷杰副研究員（第八批會(huì)員）和黃政仁研究員。 納米復(fù)相陶瓷因具有納米尺寸晶粒和高濃度晶界，表現(xiàn)出優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)。作為新型結(jié)構(gòu)材料，SiC基納米復(fù)相陶瓷在力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。聚合物衍生陶瓷 (PDCs) 工藝是制備SiC基納米復(fù)相陶瓷的重要方法之一，利用聚碳硅烷 (PCS) 裂解可以原位生成納米尺寸的SiC晶粒，可制備出高度致密SiC基納米復(fù)相陶瓷。殷杰副研究員小組選用AlN對(duì)SiC基體進(jìn)行固溶增強(qiáng)，AlN與SiC形成連續(xù)固溶體，細(xì)化SiC晶粒并促進(jìn)體系燒結(jié)致密化；同時(shí)直接引入納米尺度第二相粒子 (ZrB2) 作為增強(qiáng)相， ZrB2可以通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)引起能量耗散，從而顯著提高材料的斷裂韌性。通過(guò)微觀(guān)結(jié)構(gòu)跨尺度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)SiC基納米復(fù)相陶瓷力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性能的同步提升。 本研究小組將PDCs路線(xiàn)與熱壓燒結(jié)方法相結(jié)合，以原位AlN固溶與直接外加ZrB2協(xié)同增強(qiáng)，制備出了高度致密的新型ZrB2/SiC-AlN納米復(fù)相陶瓷，并系統(tǒng)的開(kāi)展了其燒結(jié)致密化機(jī)理研究。隨著燒結(jié)溫度提高，PCS裂解生成的SiC結(jié)晶度逐漸增大，同時(shí)與AlN發(fā)生固溶反應(yīng)，樣品的致密度得到提高。但由于采用了相對(duì)較低的燒結(jié)溫度，以及少量未完全裂解的PCS產(chǎn)生氣體逸出，SiC-AlN固溶相基體中仍存在較多孔隙。此時(shí)，超細(xì)ZrB2會(huì)優(yōu)先分布在孔隙區(qū)域形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高材料整體的致密度。 所制備的復(fù)相陶瓷晶粒細(xì)小，且網(wǎng)狀ZrB2的形成提高了相對(duì)密度，故ZrB2/SiC-AlN納米復(fù)相陶瓷具有優(yōu)異的綜合性能，與文獻(xiàn)中其他利用PDCs路線(xiàn)制備的相關(guān)材料相比，其力學(xué)性能具備明顯優(yōu)勢(shì)。ZrB2/SiC-AlN納米復(fù)相陶瓷在1400oC時(shí)熱導(dǎo)率為14.3 W·m-1·K-1，相比室溫時(shí)下降了42.8%。主要原因是納米復(fù)相陶瓷晶粒細(xì)小，晶界比例高，高溫下晶界對(duì)聲子傳導(dǎo)的阻礙作用更強(qiáng)，聲子散射增強(qiáng)所導(dǎo)致。SiC-AlN固溶體的電阻率一般在106~1010 Ω·cm范圍內(nèi)，而ZrB2電阻率約為10-5 Ω·cm，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)ZrB2的形成有效降低了ZrB2/SiC-AlN納米復(fù)相陶瓷的電阻率，其電阻率為3.9×103 Ω·cm。本研究制備了具有優(yōu)異性能和獨(dú)特微觀(guān)結(jié)構(gòu)的新型ZrB2/SiC-AlN納米復(fù)相陶瓷，有望在嚴(yán)苛環(huán)境等戰(zhàn)略應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手。 
SiC-AlN固溶相基體超微結(jié)構(gòu)分析 
所制備ZrB2/SiC-AlN納米復(fù)相陶瓷的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等綜合性能優(yōu)異
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