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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(yè)大學 2022-08-01
導讀：近日，哈爾濱工業(yè)大學航天學院復合材料與結(jié)構(gòu)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(fā)表在Small雜志（影響因子：15.15）上，題為“具有三級微納結(jié)構(gòu)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(xiàn)了在微納尺度上調(diào)控粉體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，在粉末燒結(jié)過程中控制晶粒的幾何特征，為超高韌納米陶瓷的發(fā)展提供了新的技術(shù)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(yè)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(jié)構(gòu)陶瓷高端產(chǎn)品方面，如在高質(zhì)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(xiàn)自給自足。鄭永挺教授項目組首創(chuàng)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(wěn)態(tài)微米粉（圖a），粉體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)見（圖b），在燒結(jié)致密化過程中，原位誘發(fā)了具有高密度多級氧化鋯納米結(jié)構(gòu)、亞微米柱狀晶的氧化鋁基陶瓷（圖c, d），可實現(xiàn)多級納米結(jié)構(gòu)、柱狀晶、氧化鋯t-m相變等多因素的協(xié)同增韌，大幅度提高了陶瓷的力學性能，產(chǎn)品兼具極高的硬度（HV20GPa）和極佳的韌性（16MPa·m1/2），其技術(shù)原理可廣泛應用于高性能先進陶瓷的生產(chǎn)制造。該研究得到企業(yè)研發(fā)項目和國家自然科學基金的資助。
相較于傳統(tǒng)納米復合陶瓷的工藝方法，該研究成果具有以下優(yōu)勢：產(chǎn)物具有多級高密度、細密均勻的納米結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸約500納米，晶內(nèi)納米增強相約50納米；實現(xiàn)陶瓷內(nèi)部大量亞微米柱狀晶自發(fā)生長，柱狀晶與基體原子級結(jié)合緊密，強韌化效果顯著提高；經(jīng)濟高效、成本低，適于工業(yè)化量產(chǎn)；粉體合成及燒結(jié)工藝綠色環(huán)保、無污染，避免納米粉液相生產(chǎn)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(shù)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(jié)制備了高密度納米結(jié)構(gòu)等軸晶納米陶瓷，在遠離平衡態(tài)的非線性相變過程中，實現(xiàn)了先進陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控。相關成果發(fā)表于《歐洲陶瓷協(xié)會》和《美國陶瓷協(xié)會》雜志，獲授權(quán)國家發(fā)明專利9項、國際專利1項。
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