二维氧化铝片晶阵列嵌入YSZ陶瓷：面向1300°C高温应用的多功能复合材料设计

《Nature Communications》：Embedding two dimensional Al2O3 platelets array into YSZ ceramics for high-temperature applications

本研究针对二维材料增强陶瓷在高温下易氧化降解、导致性能劣化的瓶颈，开发了一种在氧化钇稳定氧化锆（YSZ）基体中嵌入平行排列二维Al2O3片晶阵列的复合陶瓷制备新方法。该YSZ-Al2O3-PL复合材料在1300°C大气中保持稳定，同时具备低于10%的近红外（NIR）透过率以阻隔热辐射、增强的抗CMAS熔盐腐蚀能力以及更高的断裂韧性，为苛刻高温环境提供了具有优异热机械稳定性的低成本解决方案。

　　

在追求更高性能的先进结构陶瓷领域，科学家们一直在寻找能够同时提升材料机械强度和多功能特性的“强化剂”。二维材料，如石墨烯和MXenes，因其独特的结构而备受瞩目，被视为理想的候选者。然而，当这些迷人的二维材料走进现实，面对如航空发动机、高温工业炉等真正严酷的高温环境时，却暴露出了一个致命的弱点：它们容易在高温下发生氧化降解。这种氧化不仅会破坏材料精心设计的增强结构，更会导致整体复合材料成分失稳、性能急剧下降，使得许多美好的设想在高温现实面前“黯然失色”。那么，有没有一种既能继承二维材料增强优势，又能“无视”高温氧化挑战的新型复合材料呢？这正是本研究致力于回答的核心问题。

为了解决上述瓶颈，研究团队将目光转向了本身就能耐高温的氧化物。他们独辟蹊径，选择二维氧化铝（Al₂O₃）片晶作为增强体，以经典的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷为基体，目标是开发出一种能在极高温度下长期稳定工作的复合材料。这项重要的研究成果最终发表于国际顶级学术期刊《Nature Communications》上。

为了制备这种结构高度有序的复合材料，研究人员巧妙地运用了一套多场耦合策略。他们首先通过调控重力场，引导二维Al₂O₃片晶在浆料中初步取向排列。接着，施加高强度振动场，使片晶的排列进一步精确对齐，形成近乎完美的平行阵列。最后，通过可控的压力场进行致密化烧结，将排列好的片晶阵列“锁定”在YSZ陶瓷基体之中，从而获得了致密且结构可控的YSZ-Al₂O₃片晶复合材料（简称YSZ-Al₂O₃-PL）。

研究结果

1. 复合材料的微观结构与高温稳定性

通过扫描电子显微镜（SEM）等表征技术证实，研究团队成功实现了二维Al₂O₃片晶在YSZ基体中的平行定向排列，形成了独特的“砖-泥”结构。高温热处理实验表明，该复合材料在1300°C的大气环境中能够保持长期的微观结构稳定性和相组成稳定性，Al₂O₃片晶未发生明显的氧化或分解，克服了传统碳基二维材料在高温下的氧化瓶颈。

2. 优异的热辐射屏蔽性能

光谱测试结果显示，YSZ-Al₂O₃-PL复合材料在近红外（NIR）波段的透光率被显著降低至10%以下。这一特性意味着材料能够有效阻挡高温环境下主要的热辐射传热方式，展现出卓越的热障性能，对于需要绝热的应用场景至关重要。

3. 增强的抗环境腐蚀能力

研究人员将复合材料置于高温CaO-MgO-AlO_1.5-SiO₂（CMAS）熔盐环境中进行测试。结果表明，与纯YSZ陶瓷相比，YSZ-Al₂O₃-PL复合材料对CMAS熔盐的渗透和腐蚀表现出更强的抵抗力。这主要归因于致密的微观结构和Al₂O₃的化学惰性，提升了材料在真实复杂高温环境（如航空发动机吞入沙尘）下的耐久性。

4. 提升的断裂韧性

力学性能测试表明，引入二维Al₂O₃片晶阵列后，复合材料的断裂韧性得到了显著提高。其增韧机制主要包括片晶的拔出、桥接和裂纹偏转等。这种“既坚固又不易碎”的特性，对于承受机械载荷和热冲击的结构部件极为有利。

研究结论与意义

本研究的核心结论是，通过创新的多场耦合制备技术，成功开发出了一种以二维Al₂O₃片晶阵列增强的YSZ复合材料。该材料体系巧妙地规避了非氧化物二维材料的高温氧化难题，实现了在1300°C大气环境中的长期稳定。它不仅保持了结构陶瓷所需的基体特性，更整合了出色的热辐射屏蔽、优异的抗CMAS熔盐腐蚀和增强的断裂韧性等多重功能。

这项工作的重要意义在于，它为实现“多功能一体化”的高温结构陶瓷材料提供了一条全新的、切实可行的技术路径。所采用的二维氧化物增强体思路和宏观尺度排列控制方法，具有普适的借鉴价值，可以扩展到其他陶瓷基复合材料体系。这种兼具高热机械稳定性、良好环境抗性和合理成本效益的复合材料，在航空航天发动机热端部件、高性能燃气轮机、高温工业炉衬里等极端环境领域展现出巨大的应用潜力，为下一代超高温结构材料的设计与制造奠定了坚实的基础。