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Small：哈工大鄭永挺教授項目組在超高韌納米陶瓷領域取得重要進展
來源：哈爾濱工業大學 2022-08-01
導讀：近日，哈爾濱工業大學航天學院復合材料與結構研究所鄭永挺教授項目組在超高韌性、柱狀晶納米氧化鋁基陶瓷領域取得重要進展。該研究成果以論文形式發表在Small雜志（影響因子：15.15）上，題為“具有三級微納結構的超高韌柱狀晶陶瓷”（Making Ultra-Tough Nanoceramics by Columnar Submicrocrystals with Three-Level Micro-Nano Structures）。該研究在陶瓷熔體急速冷卻過程中實現了在微納尺度上調控粉體內部的微觀結構，在粉末燒結過程中控制晶粒的幾何特征，為超高韌納米陶瓷的發展提供了新的技術原理。論文第一作者為博士生于永東，通訊作者為鄭永挺教授，其他合作者為劉旭東博士、袁雨晨博士、赫曉東教授。哈爾濱工業大學為該論文唯一署名單位。
氧化鋁和氧化鋯是在先進裝備及制造等領域應用廣泛的先進陶瓷。目前，我國在先進結構陶瓷高端產品方面，如在高質量氧化鋁粉體、高速刀具切削陶瓷刀具、生物陶瓷、高端陶瓷軸承等方面尚不能實現自給自足。鄭永挺教授項目組首創了“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備，合成氧化鋁/氧化鋯亞穩態微米粉（圖a），粉體內部微觀結構見（圖b），在燒結致密化過程中，原位誘發了具有高密度多級氧化鋯納米結構、亞微米柱狀晶的氧化鋁基陶瓷（圖c, d），可實現多級納米結構、柱狀晶、氧化鋯t-m相變等多因素的協同增韌，大幅度提高了陶瓷的力學性能，產品兼具極高的硬度（HV20GPa）和極佳的韌性（16MPa·m1/2），其技術原理可廣泛應用于高性能先進陶瓷的生產制造。該研究得到企業研發項目和國家自然科學基金的資助。
相較于傳統納米復合陶瓷的工藝方法，該研究成果具有以下優勢：產物具有多級高密度、細密均勻的納米結構，晶粒尺寸約500納米，晶內納米增強相約50納米；實現陶瓷內部大量亞微米柱狀晶自發生長，柱狀晶與基體原子級結合緊密，強韌化效果顯著提高；經濟高效、成本低，適于工業化量產；粉體合成及燒結工藝綠色環保、無污染，避免納米粉液相生產工藝帶來的污染問題；制備納米陶瓷的原料為球形、微米級固溶體粉末，避免了納米粉末易團聚、難分散、成型困難等問題，大幅降低成型工藝的難度和成本。圖中紅色標注為鄭永挺教授項目組研究成果，CAZC為柱晶納米陶瓷，EAZC為等軸晶納米陶瓷。韌性的測試與切口厚度密切相關，左圖為普通的切口，前端直徑約為200微米；右圖為激光切口，前端直徑約為1.2微米。此外，項目組在“超高溫燃燒合成+熔體快速水冷霧化”技術方面，取得了多項研究成果。前期已成功制備了氧化鋁/氧化鋯的過飽和固溶體微米粉和納米共晶粉末，燒結制備了高密度納米結構等軸晶納米陶瓷，在遠離平衡態的非線性相變過程中，實現了先進陶瓷微觀結構的精密調控。相關成果發表于《歐洲陶瓷協會》和《美國陶瓷協會》雜志，獲授權國家發明專利9項、國際專利1項。
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