近日，哈工大航天学院复合材料与结构研究所郑永挺教授项目组“超高韧性、柱状晶纳米氧化铝基陶瓷”领域的重要研究成果发表在Small期刊，第一作者为博士生于永东，指导老师为郑永挺教授，哈工大为该论文唯一署名单位。研究获得哈尔滨晶火新材料有限公司企业委托研发项目和国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202105367

项目背景

氧化铝和氧化锆是在先进装备及制造等领域应用广泛的先进陶瓷。目前，我国在先进结构陶瓷高端产品方面与欧美国家企业存在一定差距，如在高质量氧化铝粉体、高速刀具切削陶瓷刀具、生物陶瓷、高端陶瓷轴承等方面尚不能实现自给自足。

项目成果

项目组首创了“Al-O₂超高温燃烧合成+熔体快速水冷”方法，研制了新型超高温熔体水冷雾化设备，合成氧化铝/氧化锆亚稳态微米粉（图a，粉体内部微观结构见图b），在烧结致密化过程中，原位诱发了具有高密度多级氧化锆纳米结构、亚微米柱状晶的氧化铝基陶瓷（图c, d），可实现多级纳米结构、柱状晶、氧化锆t-m相变等多因素的协同增韧，大幅度地提高了陶瓷的力学性能，产品兼具极高的硬度（HV20GPa）和极佳的韧性（16MPa·m^1/2），综合性能指标达到世界领先水平。在发表Small论文中以图示的形式，比较了国内外先进陶瓷的硬度和韧性综合指标，性能遥遥领先，附图为论文中的国内外先进陶瓷韧性（纵轴）与硬度（横轴）的综合性能比较图（图e，f）。多项指标达到世界领先水平。柱晶产品（CAZC）抗弯强度达1300 MPa，断裂韧性达16 MPa·m^1/2，激光切口韧性达7 MPa·m^1/2，力学性能达到世界领先水平。韧性的测试与切口厚度密切相关，e图为普通的切口，前端直径约为200微米；f图为激光切口前端直径约为1.2微米。

此外，项目组在超高温燃烧合成+熔体快速水冷雾化技术方面，取得了多项研究成果。前期已成功制备了氧化铝/氧化锆的过饱和固溶体微米粉和纳米共晶粉末，烧结制备了高密度纳米结构等轴晶纳米陶瓷，在远离平衡态的非线性相变过程中，实现了先进陶瓷微观结构的精密调控。相关成果发表于国际著名期刊J. Eur. Ceram. Soc.（欧洲陶瓷协会杂志中文译名） (2019, 39: 4313-4321；2021, 41: 5269-5279)和J. Am. Ceram. Soc. （美国陶瓷协会杂志中文译名）(2019, 102:7689-7698)，授权国家发明专利9项、国际专利1项。

项目优势

郑永挺教授项目组最新研究成果，为突破系列高端产品“卡脖子”技术难题提供了全新的科学原理和技术途径。相较于传统纳米复合陶瓷的工艺方法，该研究成果具有以下优势：

（1）产物具有多级高密度、细密均匀的纳米结构，晶粒尺寸约500纳米，晶内纳米增强相约50nm；

（2）实现陶瓷内部大量亚微米柱状晶自发生长，柱状晶与基体原子级结合紧密，强韧化效果显著提高；

（3）经济高效、成本低、适于工业化量产；

（4）粉体合成及烧结工艺绿色环保、无污染，避免纳米粉液相生产工艺带来的污染问题；

（5）制备纳米陶瓷的原料为球形、微米级固溶体粉末，避免了纳米粉末易团聚、难分散、成型困难等问题，大幅降低成型工艺的难度和成本。

应用领域

本项目大幅度提高以Al₂O₃为主的结构陶瓷的韧性和强度，加上Al₂O₃本身具有高硬度的特性，可满足客户对结构陶瓷的超高韧性、超高强度、高硬度的要求。

本项目粉体在CNC刀具、轴承、骨科陶瓷、高端耐磨件、柱塞、缸套、高端磨料、高韧性基板、高端封装，有广泛的应用前景。

粉体圈 整理

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。