【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料科研團隊在超高溫陶瓷粉體的制備和性能研究方面取得新進展，成功合成了具有阿基米德形貌的準單晶硼化物陶瓷粉體，相關(guān)成果以“Growth mechanism and sintering properties of high crystallinity Archimedean polyhedral (Zr0.5Hf0.5)B2 nanoparticles ”為題發(fā)表在國際期刊Journal of the European Ceramic Society (J. Eur. Ceram. Soc., 2025, 45, 117251)上。
 

　　硼化物超高溫陶瓷因其極高的熔點、高抗氧化性和優(yōu)異的耐腐蝕性成為熱防護領(lǐng)域的最佳候選材料之一，而研制高性能硼化物陶瓷復(fù)合材料的前提是獲得高品質(zhì)的陶瓷粉體。通常高純度和細粒徑的陶瓷粉體能夠大大提升燒結(jié)過程中的驅(qū)動力，進而實現(xiàn)相對較高的燒結(jié)密度，提升其力學(xué)性能。因此，獲得高品質(zhì)陶瓷粉體的關(guān)鍵是實現(xiàn)硼化物陶瓷粉體的純度、粒徑、結(jié)晶度以及形貌的可控制備。為實現(xiàn)這一目標，固體所陶瓷粉體研究團隊經(jīng)過長期攻關(guān)，開發(fā)了一系列基于前驅(qū)體-碳/硼熱還原的工藝路線，圍繞陶瓷粉體“純(純度)-徑(粒徑)-晶(結(jié)晶性)-形(形貌)-相(相結(jié)構(gòu))”等主要粉體性能參數(shù)，成功制備了IV-VI族過渡金屬的單元/多元/中高熵陶瓷粉體。
 

　　研究人員首先基于溶膠-凝膠協(xié)同碳硼熱還原法，在前驅(qū)體階段實現(xiàn)了分子級混合，在較低裂解溫度下實現(xiàn)陶瓷化，獲得了高純度的ZrB2、HfB2陶瓷粉體(ACS Applied Engineering Materials, 2023, 1, 769-779、Journal of Materials Science & Technology, 2023, 164, 229–239)；同時研究人員通過添加系列分散劑(如，聚乙二醇(PEG)、油酸等)，有效減小了陶瓷粉體的粒度并抑制了粉體的團聚，實現(xiàn)了對陶瓷粉體粒徑的調(diào)控，并研究了生長機理(Applied Surface Science, 2022, 606, 154995)；為了進一步提升陶瓷材料的力學(xué)性能，研究人員開發(fā)了一種包含溶膠-凝膠工藝和硼/碳熱還原法的串聯(lián)策略，成功制備了具有高長徑比多分支結(jié)構(gòu)的HfB2粉體(Materials & Design, 2024, 244  113196)，為高性能自增韌HfB2陶瓷材料的研發(fā)提供了參考方案。
 

　　在沒有出現(xiàn)新型高性能超高溫材料前，如何提升現(xiàn)有超高溫陶瓷材料性能，以滿足新一代超高速飛行器熱防護要求，成為迫切需要解決的問題。為此，研究人員通過高壓液相共沉淀共輔助硼/碳熱還原法合成具有良好形貌和高結(jié)晶度的阿基米德多面體(由兩個或多個具有等效頂點的正多邊形組成的凸多面體)陶瓷粉體。合成的硼化物陶瓷顆粒晶體結(jié)構(gòu)完整、結(jié)晶度高、物理性能優(yōu)異，減少了缺陷，大大提高材料的機械和電學(xué)性能，同時良好的分散性提高了材料的致密度。得益于高結(jié)晶度多面體形態(tài)，粉體消除了晶界弱化效應(yīng)，可避免晶界處優(yōu)先氧化，燒結(jié)后的陶瓷體表面形成多分支MO2保護層，顯示出優(yōu)異的抗氧化性。通過阿基米德多面體粉體制備的復(fù)合材料在1400°C下氧化3小時的陶瓷氧化層厚度為86.43 μm，顯著優(yōu)于文獻報道的同類材料。研究表明該二硼化物納米粒子的形態(tài)在不同階段通過定向附著機制、團簇生長和螺位錯生長機制模式的結(jié)合而演變，團簇的定向附著導(dǎo)致系統(tǒng)中大量位錯的產(chǎn)生，從而形成多面體結(jié)構(gòu)。這項工作對開發(fā)新的陶瓷粉末制備方法具有重要意義，并為提升超高溫陶瓷材料的性能提供了一種新方法。
 

　　上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重大科技項目以及合肥物質(zhì)院院長基金項目等資助。
 

圖1. “純-徑-形-相”單元/多元硼化物一體化研制歷程。
 

圖2. 硼化物陶瓷顆粒生長過程示意圖。
 

圖3. 具有阿基米德形貌硼化物粉體抗氧化分析。