近日，哈工大航天學院復合材料與結構研究所鄭永挺教授項目組“超高韌性、柱狀晶納米氧化鋁基陶瓷”領域的重要研究成果發表在Small期刊，第一作者為博士生于永東，指導老師為鄭永挺教授，哈工大為該論文唯一署名單位。研究獲得哈爾濱晶火新材料有限公司企業委托研發項目和國家自然科學基金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202105367

項目背景

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與歐美國家企業存在一定差距，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。

項目成果

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，大幅度地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·m^1/2），綜合性能指標達到世界領先水平。在發表Small論文中以圖示的形式，比較了國內外先進陶瓷的硬度和韌性綜合指標，性能遙遙領先，附圖為論文中的國內外先進陶瓷韌性（縱軸）與硬度（橫軸）的綜合性能比較圖（圖e，f）。多項指標達到世界領先水平。柱晶產品（CAZC）抗彎強度達1300 MPa，斷裂韌性達16 MPa·m^1/2，激光切口韌性達7 MPa·m^1/2，力學性能達到世界領先水平。韌性的測試與切口厚度密切相關，e圖為普通的切口，前端直徑約為200微米；f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。相關成果發表于國際著名期刊J. Eur. Ceram. Soc.（歐洲陶瓷協會雜志中文譯名） (2019, 39: 4313-4321；2021, 41: 5269-5279)和J. Am. Ceram. Soc. （美國陶瓷協會雜志中文譯名）(2019, 102:7689-7698)，授權國家發明專利9項、國際專利1項。

項目優勢

鄭永挺教授項目組最新研究成果，為突破系列高端產品“卡脖子”技術難題提供了全新的科學原理和技術途徑。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：

（1）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50nm；

（2）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；

（3）經濟高效、成本低、適于工業化量產；

（4）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；

（5）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。

應用領域

本項目大幅度提高以Al₂O₃為主的結構陶瓷的韌性和強度，加上Al₂O₃本身具有高硬度的特性，可滿足客戶對結構陶瓷的超高韌性、超高強度、高硬度的要求。

本項目粉體在CNC刀具、軸承、骨科陶瓷、高端耐磨件、柱塞、缸套、高端磨料、高韌性基板、高端封裝，有廣泛的應用前景。

粉體圈 整理

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