【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所熱控功能材料團隊在硼化鋯陶瓷晶須的制備及其增韌性能研究方面取得新進展，成功合成了高純硼化鋯晶須，將其與硼化鋯粉體混合燒結形成復材，陶瓷斷裂韌性提高了19%，相關成果以“Microstructure evolution of zirconium boride whiskers prepared by electrospinning and their toughening effect”為題發表在國際期刊Journal of the American Ceramic Society (J. Am. Ceram. Soc., 2024, DOI:10.1111/jace.20057)上。
 

　　硼化鋯(ZrB2)具有極高的熔點(3040 ℃)、較高的硬度、適度的導熱性，以及在超高溫下顯著的抗氧化性等優點，是一種極具應用前景的極端環境熱防護材料。然而，ZrB2陶瓷的斷裂韌性較低，抗熱震性差，這限制了其在航空航天領域的應用。研究人員發現，采用SiC、ZrO2、ZrC等晶須增韌能夠有效提升ZrB2陶瓷的整體強韌性，但會降低界面相容性和抗氧化燒蝕性能。若直接采用ZrB2晶須增韌的方案將有效解決這些問題，但現有的熔鹽法和催化劑誘導的生長工藝難以獲得低碳氧含量的高純ZrB2晶須，且缺乏性能考核數據。
 

　　為此，固體所研究人員基于靜電紡絲和碳熱還原相結合的方法成功制備了直徑約200 nm、長度5 ~ 10 μm的高純度ZrB2晶須，并用于ZrB2陶瓷增韌。在配置陶瓷前驅體的過程中，采用聚乙烯醇吡咯烷酮作為紡絲助劑與Zr-O-C-B網絡通過氫鍵連接，形成具有高可紡性的陶瓷前驅體；隨后，通過低溫預氧化和高溫(1350 ℃)碳熱還原合成高純ZrB2晶須。制備過程中，氧化鋯晶粒在預氧化的纖維襯底上形成并長大，隨著碳熱還原反應的推進，形成的ZrB2晶粒通過固-液-固機制沿c軸方向生長，形成高結晶性的ZrB2晶須。為了驗證ZrB2晶須增韌的潛力，將其用作增韌材料添加(5 wt%)到ZrB2粉末中，結果表明燒結ZrB2陶瓷的斷裂韌性提高了19%，增韌機制為裂紋橋接和晶須拔出的復合增韌機制。這項研究闡明了ZrB2晶須的制備策略和形成機理，顯示出ZrB2晶須在超高溫陶瓷增韌方面的應用潛力，為先進熱防護材料的研究開辟了新途徑。
 

　　以上工作得到了國家自然科學基金、安徽省科技重大專項、合肥物質院院長基金等項目的支持。
 

圖1. ZrB2晶須的制備流程圖。
 

　　圖2. 預氧化ZrB2陶瓷前驅體纖維在不同溫度下煅燒后的TEM圖：(A) 1050 ℃、10 min，(B) 1250 ℃、10 min, (C) 1350 ℃、10 min，(D)1350 ℃、1 h；(E-H)相對應的HRTEM圖；(I) ZrB2晶須生長機理示意圖。
 

　　圖3. 具有不同ZrB2晶須含量的ZrB2晶須/ZrB2陶瓷塊的光學圖像(A)，XRD圖譜(B)，斷裂韌性(C)；(D) ZrB2晶須含量為5 wt%的陶瓷塊拋光表面維氏壓痕引起裂紋橋接的SEM圖像；(E-F) ZrB2晶須含量為5 wt%的陶瓷塊斷裂面SEM圖像(E)，放大SEM圖像(F)。