近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所熱控功能材料團(tuán)隊(duì)在硼化鋯陶瓷晶須的制備及其增韌性能研究方面取得新進(jìn)展，成功合成了高純硼化鋯晶須，將其與硼化鋯粉體混合燒結(jié)形成復(fù)材，陶瓷斷裂韌性提高了19%，相關(guān)成果以“Microstructure evolution of zirconium boride whiskers prepared by electrospinning and their toughening effect”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Journal of the American Ceramic Society (J. Am. Ceram. Soc., 2024, DOI:10.1111/jace.20057)上。

硼化鋯（ZrB2）具有極高的熔點(diǎn)(3040 ℃)、較高的硬度、適度的導(dǎo)熱性，以及在超高溫下顯著的抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具應(yīng)用前景的極端環(huán)境熱防護(hù)材料。然而，ZrB2陶瓷的斷裂韌性較低，抗熱震性差，這限制了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。研究人員發(fā)現(xiàn)，采用SiC、ZrO2、ZrC等晶須增韌能夠有效提升ZrB2陶瓷的整體強(qiáng)韌性，但會(huì)降低界面相容性和抗氧化燒蝕性能。若直接采用ZrB2晶須增韌的方案將有效解決這些問(wèn)題，但現(xiàn)有的熔鹽法和催化劑誘導(dǎo)的生長(zhǎng)工藝難以獲得低碳氧含量的高純ZrB2晶須，且缺乏性能考核數(shù)據(jù)。

為此，固體所研究人員基于靜電紡絲和碳熱還原相結(jié)合的方法成功制備了直徑約200 nm、長(zhǎng)度5 ~ 10 μm的高純度ZrB2晶須，并用于ZrB2陶瓷增韌。在配置陶瓷前驅(qū)體的過(guò)程中，采用聚乙烯醇吡咯烷酮作為紡絲助劑與Zr-O-C-B網(wǎng)絡(luò)通過(guò)氫鍵連接，形成具有高可紡性的陶瓷前驅(qū)體；隨后，通過(guò)低溫預(yù)氧化和高溫（1350 ℃）碳熱還原合成高純ZrB2晶須。制備過(guò)程中，氧化鋯晶粒在預(yù)氧化的纖維襯底上形成并長(zhǎng)大，隨著碳熱還原反應(yīng)的推進(jìn)，形成的ZrB2晶粒通過(guò)固-液-固機(jī)制沿c軸方向生長(zhǎng)，形成高結(jié)晶性的ZrB2晶須。為了驗(yàn)證ZrB2晶須增韌的潛力，將其用作增韌材料添加(5 wt%)到ZrB2粉末中，結(jié)果表明燒結(jié)ZrB2陶瓷的斷裂韌性提高了19%，增韌機(jī)制為裂紋橋接和晶須拔出的復(fù)合增韌機(jī)制。這項(xiàng)研究闡明了ZrB2晶須的制備策略和形成機(jī)理，顯示出ZrB2晶須在超高溫陶瓷增韌方面的應(yīng)用潛力，為先進(jìn)熱防護(hù)材料的研究開(kāi)辟了新途徑。

以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專(zhuān)項(xiàng)、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jace.20057

圖1. ZrB2晶須的制備流程圖。

圖2. 預(yù)氧化ZrB2陶瓷前驅(qū)體纖維在不同溫度下煅燒后的TEM圖：(A) 1050 ℃、10 min，(B) 1250 ℃、10 min, (C) 1350 ℃、10 min，(D)1350 ℃、1 h；(E-H)相對(duì)應(yīng)的HRTEM圖；(I) ZrB2晶須生長(zhǎng)機(jī)理示意圖。

圖3. 具有不同ZrB2晶須含量的ZrB2晶須/ZrB2陶瓷塊的光學(xué)圖像(A)，XRD圖譜(B)，斷裂韌性(C)；(D) ZrB2晶須含量為5 wt%的陶瓷塊拋光表面維氏壓痕引起裂紋橋接的SEM圖像；(E-F) ZrB2晶須含量為5 wt%的陶瓷塊斷裂面SEM圖像(E)，放大SEM圖像(F)。