探索浸渍法（slurry impregnation）结合火花等离子烧结（spark plasma sintering）技术中，利用浸渍液中的氢化硼（hBN）进行原位合成界面层的方法，用于制备碳/碳化硅（Cf/SiC）复合材料

《Ceramics International》：Exploring dip coating technique for in-situ synthesis of hBN interphase for slurry impregnated - spark plasma sintered C f/SiC composites

氧化锆增韧氧化铝陶瓷通过动态烧结锻造技术实现致密化与力学性能协同优化。研究系统调控1300-1600℃烧结温度与5-20MPa动态应力幅值，发现1400℃配合60±10MPa应力可达到99.7%以上相对密度，维氏硬度16.67GPa，抗弯强度1271MPa，断裂韧性6.30MPa·m?。相较于热压烧结技术，DSF在降低150℃烧结温度的同时提升抗弯强度38%，其无模具约束特性有效促进孔隙闭合和晶界滑移，形成高t-ZrO?相含量与低闭孔率结构。

　　

郭慧敏|范建业|赵玉龙|蔡思龙|刘金玲|司文杰|刘典光|安丽楠

教育部先进材料技术重点实验室，西南交通大学材料科学与工程学院，中国四川成都610031

摘要

传统的氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷烧结工艺面临密度低和晶粒快速生长等挑战。本研究首次系统地探讨了动态烧结锻造（DSF）在ZTA中的应用，通过联合调节烧结温度（1300-1600°C）和动态应力幅度（5-20 MPa），实现了密度（>99.7%）和机械性能的同时优化。研究发现，机械性能随温度升高而初始改善，直到约1400°C达到最佳值，之后由于晶粒过度生长导致性能下降；同样，较高的动态应力也能提高密度和相保留率，但超过某一临界值后效果不再明显。在1400°C和60 ± 10 MPa的条件下，样品DSF1400-10表现出最佳的整体性能，其维氏硬度为16.67 GPa，抗弯强度为1271 MPa，断裂韧性为6.30 MPa·m^1/2。这种增强效果归因于高量的t-ZrO₂相含量和较低的闭孔率。与热振荡压烧（HOP）相比，DSF将烧结温度降低了150°C，同时抗弯强度提高了38%。研究表明，DSF技术能够通过动态压力精确控制材料的密度和微观结构，为制备高性能ZTA陶瓷提供了新的方法。

引言

氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷是一种重要的高性能材料，由于其优异的硬度[1]、耐磨性，以及比纯氧化铝[3]、[4]、[5]、[6]更高的断裂韧性和抗弯强度，被广泛应用于切削工具和生物医学植入物等领域。例如，广泛应用于人工髋关节的BIOLOX? delta产品，在苛刻的使用条件下证明了其可靠性。ZTA陶瓷的性能本质上取决于其微观结构，高密度、细晶粒尺寸和均匀性是获得优异机械性能的前提[7]。

然而，传统的烧结技术难以实现这种理想的微观结构。无压烧结（PS）通常导致密度低和晶粒生长失控[7]、[8]；虽然压力辅助烧结（如热压烧结HP）可以提高密度，但恒定压力可能无法有效消除稳定聚集体或闭孔，并且在高温下仍会导致晶粒快速粗化[9]、[10]、[11]。为了解决这些问题，谢等人开发了热振荡压烧（HOP）技术，该技术通过引入动态振荡压力[12]，促进晶界滑移和孔隙去除，从而提高多种材料（包括ZTA陶瓷）的密度和细化微观结构[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。然而，HOP的一个根本局限性在于：模具壁的侧向约束严重削弱了振荡应力的剪切分量，限制了动态应力在孔隙消除和晶粒结构控制中的作用。

为了克服这一最终烧结阶段的限制，安等人开发了一种无需模具的动态压力辅助技术——动态烧结锻造（DSF）[21]、[22]。初步研究表明，DSF能够在相对较低的温度下实现完全致密化和微观结构优化。例如，赵等人[22]利用DSF在1500°C下使无粘结剂的碳化钨实现了完全致密化（相对密度>99.8%），同时兼具高硬度和高韧性[23]、[24]、[25]；范等人[26]通过优化动态压力参数获得了抗弯强度为1980 MPa的氧化锆陶瓷。这些结果凸显了DSF在微观结构工程中的独特潜力。类似锻造概念在氧化铝基体系中的成功应用也进一步证明了其潜力，例如通过烧结锻造显著提高了Al₂O₃-Ti(C,N)复合材料的强度[27]。尽管在ZTA陶瓷领域已有许多关于氧化锆掺杂[28]、[29]、[30]、第二相增强[31]、[32]以及替代烧结路径[10]、[33]、[34]的研究，但DSF在制备高性能ZTA陶瓷方面的应用尚未得到系统探索。

本研究首次系统地研究了DSF在ZTA陶瓷制备中的应用。该工作的创新之处在于充分利用了DSF独特的无约束动态锻造特性——这比受模具限制的HOP工艺更具优势——能够独立控制温度和动态压力对ZTA烧结过程的影响，从而实现了密度和微观结构的同步优化，制备出了抗弯强度超过1271 MPa、断裂韧性超过6.30 MPa·m^1/2的ZTA陶瓷。

材料制备与烧结工艺

所用原料为市售的氧化锆增韧氧化铝（ZTA）粉末（79 wt% Al₂O₃，21 wt% Y-TZP；江西赛赛新材料有限公司）。该粉末在直径为25 mm的钢模具中施加34 MPa的压力进行单轴压制，形成压坯。随后在空气氛围中于1350°C进行预烧结（升温速率：10 °C/min，保温时间：120 min），得到相对密度约为80%的压坯。预烧结步骤旨在确保压坯具有良好的可加工性。

微观结构与性能：烧结温度的影响

图2展示了不同温度下烧结的ZTA陶瓷的X射线衍射（XRD）图谱。1300°C和1400°C烧结的样品仅由α-Al₂O₃和四方相t-ZrO₂组成，未检测到单斜相m-ZrO₂。1500°C时，除了主要的α-Al₂O₃和t-ZrO₂相外，还检测到少量m-ZrO₂。1600°C时，m-ZrO₂含量进一步增加。这种相变可能是由于四方相向单斜相（t→m）的转变所致。

结论

本研究采用动态烧结锻造（DSF）技术制备了高密度ZTA陶瓷，系统研究了烧结温度（1300–1600°C）和动态应力幅度（5–20 MPa）对材料性能的影响。在固定应力幅度的条件下，温度的升高显著提高了相对密度，且在1500°C以上温度时密度趋于稳定。在固定温度下，应力幅度的增加通过促进晶粒生长进一步提高了密度。

作者贡献声明

刘典光：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取、数据分析、概念构思。安丽楠：撰写、审稿与编辑、方法学设计。刘金玲：撰写、审稿与编辑、数据分析。司文杰：撰写、审稿与编辑。赵玉龙：撰写、审稿与编辑、数据分析。蔡思龙：撰写、审稿与编辑、数据分析。郭慧敏：初稿撰写、方法学设计、数据分析、数据管理、概念构思。范建业：撰写——

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52272074、52072201）和中央高校基本科研业务费（项目编号：2682025ZTPY011、2682024GF011、2682025ZD008）的支持。