中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近期，工信部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2024年度項(xiàng)目申報(bào)指南發(fā)布，共涵蓋“高端功能與智能材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料、新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料、高性能制造技術(shù)與重大裝備、微納電子技術(shù)、新能源汽車”等在內(nèi)16個(gè)重點(diǎn)專項(xiàng)。

其中，“承溫1600℃以上長(zhǎng)壽命氧化物共晶陶瓷材料研究與形性協(xié)同制備技術(shù)”等多個(gè)先進(jìn)陶瓷技術(shù)在內(nèi)。

什么是共晶陶瓷？

共晶陶瓷是一種特殊的陶瓷材料，由兩種或多種成分組成，通過共同熔化和凝固形成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的材料。共晶現(xiàn)象最早由美國(guó)材料科學(xué)家W.H. Rhodes在20世紀(jì)30年代首次發(fā)現(xiàn)，他在研究高溫熔融鹽時(shí)觀察到了兩種或多種成分以特定比例混合并在高溫下熔化時(shí)，冷卻后形成具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的材料。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為共晶陶瓷的開發(fā)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

共晶陶瓷中的微觀組織結(jié)構(gòu)

a) 層片狀； b) 條棒狀； c) TDI 組織結(jié)構(gòu)

與普通復(fù)合陶瓷相比，兩者在晶界結(jié)構(gòu)存在極大的差別。普通復(fù)相陶瓷材料無論是固相燒結(jié)還是液相燒結(jié)，其晶界摻雜玻璃相或者是其他第三相；而共晶陶瓷晶界非常干凈，例如基于熔體生長(zhǎng)的氧化物共晶陶瓷，其基體相與增強(qiáng)相同時(shí)從熔體中共生復(fù)合析出并耦合生長(zhǎng)，獲得了大量潔凈且結(jié)合牢固的相界面。

共晶陶瓷可以使用多種組分進(jìn)行制備。常見的共晶陶瓷是氧化鋁-氧化鋯（Al₂O₃-ZrO₂），除此之外，還有其他常見的共晶陶瓷組分，比如氧化鋁-氮化硅（Al₂O₃-Si₃N₄）、硼化鈦-碳化硅（TiB₂- SiC）、氧化鋯-氧化釔（ZrO₂-Y₂O₃）、氧化鋯-碳化鎢（ZrO₂- WC）等。這些組分的選擇取決于所需的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。

常見氧化物共晶陶瓷體系及其共晶點(diǎn)和共晶成分

近些年，氧化物共晶陶瓷以其優(yōu)異的高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化和抗蠕變等獨(dú)特性能，被認(rèn)為是超高溫氧化腐蝕等極端環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定服役的理想材料之一，是發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等高溫零部件的候選材料，近年來對(duì)于各體系氧化物共晶體系有了較為廣泛的研究。

氧化物共晶陶瓷的制備方法

高性能共晶陶瓷的制備需要具備兩個(gè)關(guān)鍵的條件，首先需要高溫?zé)嵩磳⒏呷埸c(diǎn)的共晶成分原料粉熔化，其次是需要較快的冷卻速度，得到組織細(xì)小、連續(xù)三維狀的共晶組織。從熔體中生長(zhǎng)晶體可分為三類：一是原材料全部熔化之后從一端開始凝固；二是從大量熔融爐料中緩慢提拉出較小的晶體；三是小部分區(qū)域被熔化，逐步移動(dòng)直至通過整個(gè)坯體。目前氧化物共晶陶瓷主要的制備方法包括：布里奇曼法、激光區(qū)域熔煉法、微拉法、定邊喂膜法、燃燒合成法等。

1.布里奇曼法(Bridgman)

該方法是最早用于制備共晶陶瓷的方法。它是使裝有物料的坩堝在一定溫度梯度的爐膛內(nèi)緩慢下降，爐溫控制在略高于材料的熔點(diǎn)附近，在通過加熱區(qū)域時(shí)，坩堝中的物料被熔融，當(dāng)坩堝持續(xù)下降時(shí)，坩堝底部的溫度先下降到熔點(diǎn)以下，并開始結(jié)晶，晶體隨坩堝下降而持續(xù)長(zhǎng)大。

Bridgman法晶體生長(zhǎng)的基本原理

該法優(yōu)點(diǎn)是能夠制備出大尺寸的共晶陶瓷，缺點(diǎn)是由于晶體生長(zhǎng)速度慢，溫度梯度較小，共晶相間距離較大，會(huì)影響共晶陶瓷的性能。另外設(shè)備昂貴，成本較高。

2.激光區(qū)域熔煉法(LFZ)

該方法以激光作為定向凝固源，具有能量高度集中的特性，不僅可以實(shí)現(xiàn)極高的溫度而且可以獲得比傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)高得多的溫度梯度10⁶K/m，為實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)難熔共晶陶瓷的快速凝固提供了一個(gè)非常有力的途徑。

高熔點(diǎn)難熔共晶陶瓷快速凝固

LFZ法溫度梯度高、無污染、生長(zhǎng)速度快。材料熔化后凝固速率范圍寬且能保證凝固界面平滑，激光掃描速率不同也會(huì)得到不同的熔化區(qū)域共晶組織的微觀結(jié)構(gòu)，因此可控制材料的組織與性能。

3.燃燒合成法

燃燒合成法是采用燃燒熱源來實(shí)現(xiàn)共晶陶瓷的制備，是一種完全不同于傳統(tǒng)工藝的新型共晶陶瓷制備技術(shù)。根據(jù)燃燒體系的選取可以使升溫速率可以超過 2000 ℃ /min并且反應(yīng)溫度能夠達(dá)到3000 ℃，反應(yīng)能夠在幾分鐘內(nèi)完成并且能迅速回到室溫。燃燒合成法制備的共晶陶瓷的致密化程度得到了巨大提升。

4.微拉法

微拉法是指將熔融的配料液體裝到一個(gè)底部有小孔的坩堝里通過籽晶在小孔處引導(dǎo)熔體下流進(jìn)而完成凝固過程。通過孔洞的調(diào)節(jié)可以獲得直徑大約為0.3～5mm之間大小的試樣。該法的溫度梯度可以達(dá)到103K/cm，能夠獲得具有優(yōu)異機(jī)械性能的試樣。這種方法只適用于制備形狀簡(jiǎn)單的小尺寸試樣。

氧化物共晶陶瓷的應(yīng)用研究

高性能切削工具

在金屬切削行業(yè)中，共晶陶瓷刀具的應(yīng)用取得了顯著的突破，特別是氧化鋯與碳化鎢（ZrO₂-WC）結(jié)合形成的共晶陶瓷刀具，展現(xiàn)了卓越的性能。這類刀具特別適用于處理那些難以加工的材料，比如鎳基合金和鈦合金。使用這些共晶陶瓷刀具，不僅能顯著延長(zhǎng)工具的使用壽命，還能提升切削效率，并確保加工出的產(chǎn)品具有更高的質(zhì)量水平。

高溫結(jié)構(gòu)材料

氧化物共晶陶瓷是一種熔體自生復(fù)合陶瓷(MGC)，定向凝固過程中，基體與增強(qiáng)相從熔體中同時(shí)共生復(fù)合，避免了傳統(tǒng)的人工復(fù)合材料基體與增強(qiáng)相間的人為界面，相對(duì)傳統(tǒng)高性能陶瓷而言，該技術(shù)大大降低直至完全消除粉末燒結(jié)過程中所產(chǎn)生的孔洞和界面非晶相，從而提高材料的致密度和織構(gòu)化程度。其在擇優(yōu)生長(zhǎng)方向上具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能，有望成為高溫結(jié)構(gòu)材料。

用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零部件的共晶陶瓷

陶瓷催化劑載體

共晶陶瓷材料同樣在催化劑載體領(lǐng)域展現(xiàn)出了其獨(dú)特價(jià)值，尤其是氧化鋁與二氧化鋯（Al₂O₃-ZrO₂）組合而成的共晶陶瓷。因其高表面積和化學(xué)穩(wěn)定性，常用作汽車尾氣催化劑載體，能提升催化效率，延長(zhǎng)使用壽命，并具有出色的熱穩(wěn)定性和抗中毒性。

來源：

袁世峰：Al₂O₃/ZrO₂/Er₃Al₅O₁₂復(fù)相粉體與共晶陶瓷的制備及性能研究

姚佳彤等：氧化物共晶陶瓷激光增材制造裂紋缺陷形成及抑制研究進(jìn)展

諸宗富等：定向凝固氧化物共晶陶瓷的制備工藝與性能

產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量前沿：陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能-陶瓷中的擴(kuò)散

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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