航天学院郑永挺教授项目组在超高韧纳米陶瓷领域取得重要进展

哈工大全媒体（王仁杰 文/图）近日，我校航天学院复合材料与结构研究所郑永挺教授项目组在超高韧性、柱状晶纳米氧化铝基陶瓷领域取得重要进展。该研究成果以论文形式发表在Small杂志（影响因子：15.15）上，题为“具有三级微纳结构的超高韧柱状晶陶瓷”（Making Ultra-Tough Nanoceramics by Columnar Submicrocrystals with Three-Level Micro-Nano Structures）。该研究在陶瓷熔体急速冷却过程中实现了在微纳尺度上调控粉体内部的微观结构，在粉末烧结过程中控制晶粒的几何特征，为超高韧纳米陶瓷的发展提供了新的技术原理。

论文第一作者为我校博士生于永东，通讯作者为郑永挺教授，其他合作者为我校刘旭东博士、袁雨晨博士、赫晓东教授。我校为该论文唯一署名单位。

氧化铝和氧化锆是在先进装备及制造等领域应用广泛的先进陶瓷。目前，我国在先进结构陶瓷高端产品方面，如在高质量氧化铝粉体、高速刀具切削陶瓷刀具、生物陶瓷、高端陶瓷轴承等方面尚不能实现自给自足。郑永挺教授项目组首创了“Al-O₂超高温燃烧合成+熔体快速水冷”方法，研制了新型超高温熔体水冷雾化设备，合成氧化铝/氧化锆亚稳态微米粉（图a），粉体内部微观结构见（图b），在烧结致密化过程中，原位诱发了具有高密度多级氧化锆纳米结构、亚微米柱状晶的氧化铝基陶瓷（图c, d），可实现多级纳米结构、柱状晶、氧化锆t-m相变等多因素的协同增韧，大幅度提高了陶瓷的力学性能，产品兼具极高的硬度（HV20GPa）和极佳的韧性（16MPa·m^1/2），其技术原理可广泛应用于高性能先进陶瓷的生产制造。该研究得到企业研发项目和国家自然科学基金的资助。

相较于传统纳米复合陶瓷的工艺方法，该研究成果具有以下优势：产物具有多级高密度、细密均匀的纳米结构，晶粒尺寸约500纳米，晶内纳米增强相约50纳米；实现陶瓷内部大量亚微米柱状晶自发生长，柱状晶与基体原子级结合紧密，强韧化效果显著提高；经济高效、成本低，适于工业化量产；粉体合成及烧结工艺绿色环保、无污染，避免纳米粉液相生产工艺带来的污染问题；制备纳米陶瓷的原料为球形、微米级固溶体粉末，避免了纳米粉末易团聚、难分散、成型困难等问题，大幅降低成型工艺的难度和成本。

图中红色标注为郑永挺教授项目组研究成果，CAZC为柱晶纳米陶瓷，EAZC为等轴晶纳米陶瓷。韧性的测试与切口厚度密切相关，左图为普通的切口，前端直径约为200微米；右图为激光切口，前端直径约为1.2微米。

此外，项目组在“超高温燃烧合成+熔体快速水冷雾化”技术方面，取得了多项研究成果。前期已成功制备了氧化铝/氧化锆的过饱和固溶体微米粉和纳米共晶粉末，烧结制备了高密度纳米结构等轴晶纳米陶瓷，在远离平衡态的非线性相变过程中，实现了先进陶瓷微观结构的精密调控。相关成果发表于《欧洲陶瓷协会》和《美国陶瓷协会》杂志，获授权国家发明专利9项、国际专利1项。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202105367