近日，清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室楊金龍教授課題組提出了一種泡沫前驅(qū)體制備高性能陶瓷的新工藝（Foam Precursor Ceramics, 簡稱FPC），以實現(xiàn)顆粒重排、組裝和燒結(jié)，并且發(fā)現(xiàn)該方法對陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有著顯著影響。這是近三十年以來結(jié)構(gòu)陶瓷最重要的創(chuàng)新。
陶瓷材料是典型的脆性材料，針對陶瓷材料力學(xué)性能的提升一直以來都是研究者們的主要研究方向。制備工藝是影響其力學(xué)性能的重要關(guān)鍵因素之一，控制制備工藝對于確保陶瓷的質(zhì)量至關(guān)重要。以往對陶瓷工藝的研究主要集中在粉末合成、成型或燒結(jié)等某一環(huán)節(jié)上。
泡沫前驅(qū)體制備高性能陶瓷的新工藝(FPC)工藝流程圖
(a)泡孔壁抑制大晶粒生長示意圖；(b) FPC工藝和傳統(tǒng)工藝制備的氧化鋁陶瓷斷口對比；(c) 高分辨透射電鏡圖像中的局部位錯和幾何相位分析應(yīng)變分布
研究團隊采用顆粒穩(wěn)定泡沫法制備的氧化鋁泡沫被用作陶瓷前驅(qū)體，經(jīng)過預(yù)燒、破碎和熱壓處理后，便可獲得泡沫前驅(qū)體制備的氧化鋁陶瓷。在不添加任何額外燒結(jié)助劑的情況下，憑借泡沫的高晶粒生長指數(shù)，可以實現(xiàn)細(xì)小的晶粒和均勻的晶粒尺寸。在泡沫前驅(qū)體衍生陶瓷的（0001）晶面上發(fā)現(xiàn)了局部的超高位錯密度（約為1010?mm-2），可與高熵陶瓷的位錯密度相媲美。此外，在采用這種新方法制備的陶瓷中觀察到穿晶斷裂模式，而對照組中的斷裂模式以沿晶斷裂為主。其綜合力學(xué)性能也相應(yīng)得到了提升。由泡沫前驅(qū)體工藝所導(dǎo)致的獨特微觀結(jié)構(gòu)和斷裂模式，揭示了諸如位錯和晶界等微觀結(jié)構(gòu)對陶瓷斷裂行為的影響，而這在傳統(tǒng)研究中考慮較少。這種制備工藝也可應(yīng)用于其他高性能陶瓷的制備中。
《美國陶瓷學(xué)報》頒發(fā)的“編輯精選”證書
該工作的研究成果以“Foam structure-derived strong and tough alumina ceramics?with fine grains and transgranular fracture”為題發(fā)表在《美國陶瓷學(xué)報》(Journal of the American Ceramic Society)上，被評為2024年美國陶瓷學(xué)會會刊的“編輯精選”（Editor’s Choice）內(nèi)容?！睹绹沾蓪W(xué)會會刊》是陶瓷領(lǐng)域的頂尖期刊之一，2024年共有39篇論文被評為“編輯精選”。編輯團隊會根據(jù)文章的創(chuàng)新性、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性、研究的重要性以及對陶瓷領(lǐng)域可能產(chǎn)生的廣泛影響等多個維度進(jìn)行評估。這些文章代表了陶瓷領(lǐng)域的前沿研究成果或者是對傳統(tǒng)陶瓷問題的新穎解決方案，并為后續(xù)的研究提供了重要的參考方向。
該論文第一單位為清華大學(xué)材料學(xué)院和新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室，通訊作者為清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室楊金龍教授，第一作者為材料學(xué)院博士生趙士暉，其他重要貢獻(xiàn)者包括材料學(xué)院博士后喬堅栗，材料學(xué)院博士后桑國龍（現(xiàn)為際華集團高級工程師），新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室高級工程師席小慶。研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1111/jace.19797
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