科學島團隊在超高溫陶瓷粉體研制方面取得新進展

近期，中國科學院合肥物質院固體所納米材料與器件技術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，相關成果發(fā)表在國際期刊Journal of the European Ceramic Society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域的最佳候選材料之一，而研制高性能硼化物陶瓷復合材料的前提是獲得高品質的陶瓷粉體。通常高純度和細粒徑的陶瓷粉體能夠大大提升燒結過程中的驅動力，進而實現相對較高的燒結密度，提升其力學性能。因此，獲得高品質陶瓷粉體的關鍵是實現硼化物陶瓷粉體的純度、粒徑、結晶度以及形貌的可控制備。為實現這一目標，固體所陶瓷粉體研究團隊經過長期攻關，開發(fā)了一系列基于前驅體-碳/硼熱還原的工藝路線，圍繞陶瓷粉體“純（純度）-徑（粒徑）-晶（結晶性）-形（形貌）-相（相結構）”等主要粉體性能參數，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-凝膠協同碳硼熱還原法，在前驅體階段實現了分子級混合，在較低裂解溫度下實現陶瓷化，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，實現了對陶瓷粉體粒徑的調控，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/碳熱還原法的串聯策略，成功制備了具有高長徑比多分支結構的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。

在沒有出現新型高性能超高溫材料前，如何提升現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構完整、結晶度高、物理性能優(yōu)異，減少了缺陷，大大提高材料的機械和電學性能，同時良好的分散性提高了材料的致密度。得益于高結晶度多面體形態(tài)，粉體消除了晶界弱化效應，可避免晶界處優(yōu)先氧化，燒結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合而演變，團簇的定向附著導致系統中大量位錯的產生，從而形成多面體結構。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。

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。