郭林 : 双相超高强度弹性陶瓷

dakaigan

随着航空航天领域的快速发展，对于新型航空航天材料的要求越来越高。氧化锆作为一种性能优良的陶瓷材料，在耐高温隔热材料、结构增强材料以及耐化学腐蚀材料等领域具有广泛的应用。氧化锆陶瓷材料虽然具有很高的刚度和非凡的强度，但通常具有脆性，且拉伸强度不高，极大限制了其在航空航天等领域的应用。如何制备超强超韧的陶瓷材料是一个世界性的问题，一直吸引着科学家的兴趣。非晶化和尺寸限制常被用作增强材料的有效策略。
对于非晶材料而言，由于缺乏位错滑移的外部环境，其变形机制主要以剪切带为主，但是，剪切带软化效应也限制了其力学性能的进一步提升；而对于晶体材料而言，当材料的尺寸下降到某一临界尺寸时，反Hall-Petch效应开始起作用，传统的位错行为被晶界行为所取代， 材料的强度将不再随着晶粒尺寸的减小而得到进一步的提升。 如何通过微观结构设计，使材料能够同时克服上述两种效应，获得性能更为优异的新型陶瓷材料将对陶瓷行业产生非常重要的借鉴意义。

断裂机制

近日，北京航空航天大学郭林教授团队纳米力学小组负责人岳永海副教授 等为了克服上述两种效应的限制，采用新型的结构设计以及超声辅助液相反应法，在非晶氧化锆陶瓷基体中成功引入超细纳米晶，利用非晶基体抑制内部纳米晶的晶界行为；利用纳米晶实现了非晶内部尺寸的限制，成功抑制了剪切带软化效应，出色的微观结构设计使得该一维双相氧化锆陶瓷纳米线(DP-ZrO2 NW)实现了强度、弹性及韧度的同时提升。研究成果，在ACS Nano上发表了题为“Dual-Phase Super-Strong and Elastic Ceramic”的研究论文。原位拉伸试验表明，上述DP-ZrO2 纳米线的弹性应变接近~7%，极限强度为3.52 GPa，并具有~151 MJ·m-3的高韧性，使得该原位自生长DP-ZrO2 复合纳米线成为目前最强、最韧的氧化锆陶瓷材料。该发现提供了一种可有效改善陶瓷材料机械性能的可控制备方法，可作为一种普适方法推广到其他材料体系中。

       作者采用化学合成并结合精准的热处理工艺，成功制备了三种ZrO2纳米线(非晶、双相和晶体氧化锆纳米线)。SEM中的原位拉伸试验表明，通过无定形和纳米晶结构的可控组合成功地抑制了剪切带软化效应和反Hall-Petch效应，在400℃下处理的DP-ZrO2 NW具有最优异的机械性能。该双相ZrO2 纳米线的极限强度达到3.52 GPa，最高弹性应变极限接近~7 %，韧度达到~151 MJ·m-3，使其成为目前最强、最韧的氧化锆陶瓷材料，同时还具有较低的模量(34-43 GPa)。虽然该双相结构材料是在一维纳米材料中实现，但该结构设计方案是一种有效的材料增强策略，可应用于其他脆性陶瓷材料中并拓宽其应用范围。

文献链接：Dual-Phase Super-Strong and Elastic Ceramic (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b09195)