近日，我校材料科學與工程學院鐘玉潔副教授以第一作者、西安石油大學為第一單位分別在材料領域權威期刊《Acta Materialia》（IF 9.4）和復合材料權威期刊《Composite part B》（IF 13.1）上在線發表了題為“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。
氧化鋁基陶瓷熔點高，硬度大，耐磨損，是一種極有前途的高溫結構材料，但是傳統的熱壓燒結法所制備的陶瓷存在非晶相、晶界等諸多晶體缺陷，大大降低了其在高溫下的強度和斷裂韌性，限制了其應用。針對上述問題，鐘玉潔采用定向凝固技術成功制備了Al2O3/(Y0.2Er0.2Yb0.2Ho0.2Lu0.2)3Al5O12((5Re0.2)AG)/ZrO2三元單晶共晶低熵/高熵陶瓷。Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2共晶陶瓷由單晶相Al2O3、(5Re0.2)AG高熵相和c-ZrO2組成，三相相互滲透，犬牙交錯。與Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷相比，(5Re0.2)AG高熵相的引入，改變了共晶陶瓷的各組元之間的界面取向關系，有效調節了增韌相c-ZrO2的形貌和分布，使其彌散均勻地分布在Al2O3、(5Re0.2)AG中，并以細圓棒的形式存在于兩者之間。ZrO2分布均勻，以及高熵效應帶來的組織細化，極大地提高了陶瓷的納米/維氏硬度、彈性模量和斷裂韌性等力學性能（如圖1所示）。該研究結果提供了一種結構材料中調變增韌相形貌和分布的方法。
圖1 Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2和Al2O3/YAG/ZrO2三元共晶復合材料的形貌和力學性能比較
Al2O3基單晶共晶陶瓷的力學性能具備各向異性。鐘玉潔等人進一步采用籽晶誘導法，成功制備了具有不同擇優生長方向和界面結構的Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2共晶陶瓷。其中Al2O3與藍寶石籽晶擇優方向一致。氧化鋁與(5Re0.2)AG、c-ZrO2相之間的界面關系約束了(5Re0.2)AG、ZrO2相的擇優取向。最終得到了擇優取向和界面關系不同的Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2共晶陶瓷，其力學性能也取得顯著提升（如圖2所示）。
圖2 籽晶法制備Al2O3/(5Re0.2)AG/ZrO2共晶陶瓷的擇優取向和界面關系模擬圖（左圖）和氧化鋁基共晶陶瓷力學性能對比圖（右圖）
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119369
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111016
