近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料科研團(tuán)隊(duì)在超高溫陶瓷粉體的制備和性能研究方面取得新進(jìn)展，成功合成了具有阿基米德形貌的準(zhǔn)單晶硼化物陶瓷粉體，相關(guān)成果以“Growth mechanism and sintering properties of high crystallinity Archimedean polyhedral (Zr0.5Hf0.5)B2 nanoparticles ”為題發(fā)表在國際期刊Journal of the European Ceramic Society (J. Eur. Ceram. Soc., 2025, 45, 117251)上。
 

　　硼化物超高溫陶瓷因其極高的熔點(diǎn)、高抗氧化性和優(yōu)異的耐腐蝕性成為熱防護(hù)領(lǐng)域的最佳候選材料之一，而研制高性能硼化物陶瓷復(fù)合材料的前提是獲得高品質(zhì)的陶瓷粉體。通常高純度和細(xì)粒徑的陶瓷粉體能夠大大提升燒結(jié)過程中的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的燒結(jié)密度，提升其力學(xué)性能。因此，獲得高品質(zhì)陶瓷粉體的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)硼化物陶瓷粉體的純度、粒徑、結(jié)晶度以及形貌的可控制備。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，固體所陶瓷粉體研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長(zhǎng)期攻關(guān)，開發(fā)了一系列基于前驅(qū)體-碳/硼熱還原的工藝路線，圍繞陶瓷粉體“純(純度)-徑(粒徑)-晶(結(jié)晶性)-形(形貌)-相(相結(jié)構(gòu))”等主要粉體性能參數(shù)，成功制備了IV-VI族過渡金屬的單元/多元/中高熵陶瓷粉體。
 

　　研究人員首先基于溶膠-凝膠協(xié)同碳硼熱還原法，在前驅(qū)體階段實(shí)現(xiàn)了分子級(jí)混合，在較低裂解溫度下實(shí)現(xiàn)陶瓷化，獲得了高純度的ZrB2、HfB2陶瓷粉體(ACS Applied Engineering Materials, 2023, 1, 769-779、Journal of Materials Science & Technology, 2023, 164, 229–239)；同時(shí)研究人員通過添加系列分散劑(如，聚乙二醇(PEG)、油酸等)，有效減小了陶瓷粉體的粒度并抑制了粉體的團(tuán)聚，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陶瓷粉體粒徑的調(diào)控，并研究了生長(zhǎng)機(jī)理(Applied Surface Science, 2022, 606, 154995)；為了進(jìn)一步提升陶瓷材料的力學(xué)性能，研究人員開發(fā)了一種包含溶膠-凝膠工藝和硼/碳熱還原法的串聯(lián)策略，成功制備了具有高長(zhǎng)徑比多分支結(jié)構(gòu)的HfB2粉體(Materials & Design, 2024, 244  113196)，為高性能自增韌HfB2陶瓷材料的研發(fā)提供了參考方案。
 

　　在沒有出現(xiàn)新型高性能超高溫材料前，如何提升現(xiàn)有超高溫陶瓷材料性能，以滿足新一代超高速飛行器熱防護(hù)要求，成為迫切需要解決的問題。為此，研究人員通過高壓液相共沉淀共輔助硼/碳熱還原法合成具有良好形貌和高結(jié)晶度的阿基米德多面體(由兩個(gè)或多個(gè)具有等效頂點(diǎn)的正多邊形組成的凸多面體)陶瓷粉體。合成的硼化物陶瓷顆粒晶體結(jié)構(gòu)完整、結(jié)晶度高、物理性能優(yōu)異，減少了缺陷，大大提高材料的機(jī)械和電學(xué)性能，同時(shí)良好的分散性提高了材料的致密度。得益于高結(jié)晶度多面體形態(tài)，粉體消除了晶界弱化效應(yīng)，可避免晶界處優(yōu)先氧化，燒結(jié)后的陶瓷體表面形成多分支MO2保護(hù)層，顯示出優(yōu)異的抗氧化性。通過阿基米德多面體粉體制備的復(fù)合材料在1400°C下氧化3小時(shí)的陶瓷氧化層厚度為86.43 μm，顯著優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的同類材料。研究表明該二硼化物納米粒子的形態(tài)在不同階段通過定向附著機(jī)制、團(tuán)簇生長(zhǎng)和螺位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)制模式的結(jié)合而演變，團(tuán)簇的定向附著導(dǎo)致系統(tǒng)中大量位錯(cuò)的產(chǎn)生，從而形成多面體結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)工作對(duì)開發(fā)新的陶瓷粉末制備方法具有重要意義，并為提升超高溫陶瓷材料的性能提供了一種新方法。
 

　　上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重大科技項(xiàng)目以及合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金項(xiàng)目等資助。
 

圖1. “純-徑-形-相”單元/多元硼化物一體化研制歷程。
 

圖2. 硼化物陶瓷顆粒生長(zhǎng)過程示意圖。
 

圖3. 具有阿基米德形貌硼化物粉體抗氧化分析。