碳化锆陶瓷实现强韧协同新突破

尽管具有这些优势，碳化锆的实际应用一直受到两个长期挑战的限制。该材料难以致密化，通常需要极高的加工温度，并且本质上是脆性的，这限制了其在苛刻服役条件下的结构可靠性。以往的许多努力试图通过固溶体形成、第二相强化或复合材料设计来提高性能，但这些方法通常以牺牲另一种性能为代价来提高强度或韧性。

由中国哈尔滨理工大学的魏伯鑫和哈尔滨工业大学的王玉金领导的一个材料科学家团队，现在展示了一种通过在碳化锆基陶瓷中设计多尺度微观结构来克服这种权衡的方法。研究人员从碳化锆、二硅化钛和碳化硼粉末出发，采用两步原位反应放电等离子烧结工艺，制备出一种兼具高弯曲强度和显著改善断裂韧性的多相陶瓷。

这项于2026年2月12日发表在《先进陶瓷杂志》上的工作，聚焦于作者所描述的碳化锆陶瓷中同时增强致密化行为和断裂抗力的核心挑战。哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院副教授魏伯鑫解释说：“我们旨在解决的核心挑战是如何同时增强碳化锆陶瓷的致密化行为和断裂抗力。我们的方法是利用精心设计的原位反应序列，这些反应不仅能促进低温致密化，还能创建具有不同尺度增强相的分级微观结构。”

设计策略的核心是二硅化钛与碳化硼在放电等离子烧结过程中的两阶段反应。第一步在1600°C时，二硅化钛优先与碳化硼反应生成二硼化钛和初生碳化硅，同时该反应释放出的硅随后与碳化锆基体反应生成二硅化锆和次生碳化硅。选择在1600°C保温3分钟，随后在1800°C保温10分钟的烧结制度，是为了分离反应主导阶段和扩散主导阶段，以便在大多数晶粒生长发生之前完成所有原位反应。

这种两步制度允许瞬态液相烧结、锆和钛的广泛互扩散，并在整个微观结构中形成(Zr,Ti)C和(Ti,Zr)B2固溶体。哈尔滨工业大学先进陶瓷研究所教授王玉金指出：“两步工艺对我们的成功至关重要。较低温度的保温优先完成原位反应，生成高密度的细小TiB2和SiC晶核，同时有意限制基体晶粒生长。随着这些钉扎相已分散在整个微观结构中，随后的高温烧结实现了完全致密化，同时纳米级颗粒从一开始就有效地抑制了晶粒粗化。”

当添加30摩尔百分比的二硅化钛和15摩尔百分比的碳化硼时，所得的ZTS 30B陶瓷形成了晶粒尺寸低于500纳米的细化亚微观结构。在力学测试中，其弯曲强度达到824±46兆帕，断裂韧性达到7.5±0.5兆帕·米^(1/2)，远高于通过传统方法制备的大多数碳化锆基陶瓷的报道值。

根据研究人员的说法，这种性能源于真正的多尺度协同作用。在原子尺度上，(Zr,Ti)C和(Ti,Zr)B2中的固溶强化产生阻碍位错运动并提高强度的晶格应变场。在纳米尺度上，与二硼化钛一起形成的初生碳化硅以及硅与碳化锆基体反应形成的次生碳化硅都充当有效的晶界钉扎颗粒，限制晶粒粗化并稳定细晶微观结构。

在微米尺度上，板状二硼化钛晶粒和SiC-TiB2团聚体通过偏转和桥接裂纹促进增韧，迫使断裂路径更加曲折并耗散更多能量。较高韧性的二硅化锆相的存在在裂纹扩展过程中提供了进一步的能量吸收。魏伯鑫说：“SiC-TiB2团聚体的原位形成尤其值得注意——这些结构充当有效的复合材料增韧单元，相互锁定的SiC和TiB2相以单个增强相无法实现的方式偏转扩展裂纹并延长裂纹路径。”

高分辨率透射电子显微镜进一步揭示了微观结构如何影响力学行为。研究发现，次生碳化硅颗粒与周围的(Zr,Ti)C基体保持特定的晶体学取向关系，这减少了晶格失配并改善了界面上的应力传递。β碳化硅晶粒内的高密度堆垛层错进一步阻碍了位错运动，增强了抗变形能力。在(Zr,Ti)C和(Ti,Zr)B2之间的界面处，观察到一个大约9纳米厚的互扩散区，表明良好的化学相容性和强的界面结合。

该团队还将他们的两步反应烧结路线与更传统的一步工艺进行了比较。在一步制度中，致密化速率在1800°C时表现出强烈的峰值，表明强烈的原位反应在该温度下仍在进行。这种行为促进了快速的奥斯特瓦尔德熟化和晶粒粗化，从而损害了力学性能。相比之下，两步方法在1800°C时显示出低得多的致密化速率峰值，这与主要反应在较早的1600°C保温期间已基本完成的情况一致。收缩数据表明，两步样品中超过20%的总致密化发生在1600°C，而一步样品中则明显较少。

通过仔细控制反应序列和热历史，研究人员能够从根本上重塑这类碳化物陶瓷中微观结构与性能之间的关系。固溶强化、纳米尺度晶界钉扎和微米尺度增韧单元的综合效应，制备出一种既强又相对耐损伤的碳化锆基陶瓷，解决了这些材料在极端温度下结构应用中更广泛使用的一个关键障碍。

该研究还强调，二硅化钛在该系统中同时扮演多个角色。它充当促进致密化的反应烧结助剂，形成瞬态液相；它为原位形成碳化硅提供硅源；它还提供钛，这些钛后来分配到碳化物和硼化物固溶体相中。这种单一添加剂的多功能行为是整个设计策略有效性的核心。

除了直接结果外，作者还建议，这里展示的原位多尺度构建策略可以适用于其他存在致密化、强度和韧性之间类似权衡的超高温陶瓷体系。基于其他难熔碳化物和硼化物的体系可能受益于类似的固溶体形成、反应烧结助剂和跨原子、纳米和微米尺度操作的工程多相微观结构的组合。

研究报告：通过两步反应SPS工艺实现碳化锆基陶瓷优异的强韧协同：一种原位多尺度构建策略

摘要