我校教师钟玉洁副教授在高温结构陶瓷材料研究方面发表高水平论文-西安石油大学招生办网站新版

近日，我校材料科学与工程学院钟玉洁副教授以第一作者、西安石油大学为第一单位分别在材料领域权威期刊《Acta Materialia》（IF 9.4）和复合材料权威期刊《Composite part B》（IF 13.1）上在线发表了题为“Seed-crystal-induced directional solidification toward Al2O3/(Y0.2Er0.2Yb0.2Ho0.2Lu0.2)3Al5O12/ZrO2 ternary eutectic ceramics”和“Insight into tuning of ZrO2 distribution and mechanical properties of directionally solidified Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2 eutectic ceramic composites”的研究文章。

氧化铝基陶瓷熔点高，硬度大，耐磨损，是一种极有前途的高温结构材料，但是传统的热压烧结法所制备的陶瓷存在非晶相、晶界等诸多晶体缺陷，大大降低了其在高温下的强度和断裂韧性，限制了其应用。针对上述问题，钟玉洁采用定向凝固技术成功制备了Al2O3/(Y0.2Er0.2Yb0.2Ho0.2Lu0.2)3Al5O12((5Re0.2)AG)/ZrO2三元单晶共晶低熵/高熵陶瓷。Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2共晶陶瓷由单晶相Al2O3、(5Re0.2)AG高熵相和c-ZrO2组成，三相相互渗透，犬牙交错。与Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷相比，(5Re0.2)AG高熵相的引入，改变了共晶陶瓷的各组元之间的界面取向关系，有效调节了增韧相c-ZrO2的形貌和分布，使其弥散均匀地分布在Al2O3、(5Re0.2)AG中，并以细圆棒的形式存在于两者之间。ZrO2分布均匀，以及高熵效应带来的组织细化，极大地提高了陶瓷的纳米/维氏硬度、弹性模量和断裂韧性等力学性能（如图1所示）。该研究结果提供了一种结构材料中调变增韧相形貌和分布的方法。

图1 Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2和Al2O3/YAG/ZrO2三元共晶复合材料的形貌和力学性能比较

Al2O3基单晶共晶陶瓷的力学性能具备各向异性。钟玉洁等人进一步采用籽晶诱导法，成功制备了具有不同择优生长方向和界面结构的Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2共晶陶瓷。其中Al2O3与蓝宝石籽晶择优方向一致。氧化铝与(5Re0.2)AG、c-ZrO2相之间的界面关系约束了(5Re0.2)AG、ZrO2相的择优取向。最终得到了择优取向和界面关系不同的Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2共晶陶瓷，其力学性能也取得显著提升（如图2所示）。

图2 籽晶法制备Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2共晶陶瓷的择优取向和界面关系模拟图（左图）和氧化铝基共晶陶瓷力学性能对比图（右图）

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119369

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111016