原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Li X, Fan X, Luo H, et al. The enhanced mechanical properties of SiC nanowires/Ba_0.75Sr_0.25Al₂Si₂O₈ ceramics with embedded SiO₂ interface. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220907

1、导读

为了优化纳米增强剂在陶瓷增强增韧过程中的分散效果，低软化温度和低模量的SiO₂被引入SiC纳米线（SiCnws）和Ba_xSr_1−xAl₂Si₂O₈陶瓷基体之间形成嵌入式界面。在烧结过程中，熔融态SiO₂可以优化陶瓷粉体的流动性，并改善其分散效果，使SiCnws的强化效果得到充分发挥。优化后陶瓷的抗弯强度达到193±16 MPa，相比于构建SiO₂界面前提高了52.6%。根据He and Hutchinson模型可以预测，SiO₂界面形成后裂纹会沿SiCnws表面发生偏转，裂纹扩展路径可以得到有效延长，陶瓷断裂韧性提高94.0%，达到3.1±0.5 MPa·m^1/2。

2、研究背景

钡铝硅（BaAl₂Si₂O₈，BAS）陶瓷具有热膨胀系数低、介电性能优异等特点，是天线罩技术和电子封装领域的理想材料。将Sr元素掺杂入BAS中形成钡锶铝硅（Ba_xSr_1−xAl₂Si₂O₈，BSAS）陶瓷，既可以克服BAS低温相变的问题，又可以赋予其独特的抗水氧腐蚀功能，极大地拓展了其应用前景。然而，BSAS陶瓷的对损伤和缺陷的高敏感度限制了其工业应用的发展。引入纳米增强剂是提高陶瓷强度和韧性的有效途径，碳化硅纳米线（SiC nanowires，SiCnws）具有继承自SiC陶瓷的高强度和高硬度的特点，同时也具有纳米材料所具有的良好韧性和弹性，是BSAS陶瓷强韧化的理想候选材料。纳米增强剂的强化增韧效果主要与其分散性和界面结合两方面有关。较差的分散性将在致密化过程中形成封闭的孔隙，强界面结合将导致裂纹无法有效偏转，使纳米增强剂的强化和增韧作用不能充分发挥。探寻一种优化SiCnws的分散效果并实现裂纹稳定偏转的策略是充分发挥SiCnws强韧化作用的关键，并对丰富陶瓷强韧化机制的理论框架具有重要意义。

3、文章亮点

在致密化过程中，具有良好流动性的陶瓷粉体是改善纳米增强剂分散性的关键，同时，根据He and Hutchinson模型可知，低模量界面的构建是诱导裂纹偏转的关键。因此，本研究开创性地提出了构建脆性界面优化纳米增强剂强韧化效果的策略，在SiCnws纳米增强剂与BSAS陶瓷基体中引入低软化温度、低模量的嵌入式SiO₂界面。一方面熔融SiO₂可以在压力下覆盖陶瓷颗粒，降低烧结过程中的接触应力，提高陶瓷粉体的流动性。同时，烧结过程中熔融SiO₂作为SiCnws与BSAS晶粒之间的界面嵌入，削弱了两者之间的界面结合。共同优化了SiCnws的强化增韧效果。通过调整SiO₂含量对陶瓷界面结构进行优化，并对强韧化机理进行了系统研究。

4、研究结果及结论

研究发现，热压烧结制备的纯BSAS陶瓷中存在大量不规则形状的闭气孔。引入SiCnws后，由于分散效果较差形成富集区，并且在陶瓷基体中互相搭接形成空腔，在BSAS和SiCnws颗粒边缘形成较大的封闭空隙。随着SiO₂的引入，在高温烧结过程中，SiO₂首先软化进入熔融态，而SiCnws和BSAS两种固相倾向于沿晶粒的优先取向逐渐长大，熔融SiO₂更容易覆盖SiCnws表面，并嵌入SiCnws和BSAS之间。根据微结构分析（图1），SiO₂以不规则形状嵌入BSAS和SiCnws两种固相之间，形成类似界面的结构。熔融SiO₂提高了陶瓷粉体在烧结过程中的流动性，占据了SiCnws相互搭接形成的空腔，从而提高了陶瓷整体的致密化程度，SiO₂界面构建后，陶瓷中的闭气孔消失。通过控制SiO₂的含量，实现了对陶瓷界面结构的精细调控，当SiO₂含量较高时，对BSAS晶粒的生长产生限制。根据TEM图片分析（图2），陶瓷中的BSAS为单斜相，SiCnws为立方相，引入的SiO₂为非晶相。SiO₂和BSAS紧密包裹在SiCnws周围，三相之间结合良好，具有清晰的界面，未发生扩散或界面反应，证明三相在烧结过程中没有受到破坏。

图1：材料的微观结构：（a）纯BSAS陶瓷；（b）SiCnws/BSAS陶瓷；（c-f）SiO₂含量控制的不同界面结构的SiCnws/SiO₂/BSAS陶瓷

图2：材料的TEM图像分析：（a-c）SiCnws/BSAS陶瓷；（d-g）构建SiO₂界面后的SiCnws/SiO₂/BSAS陶瓷

陶瓷的机械性能测试结果（图3a）表明，纯BSAS陶瓷的抗弯强度较低，为126±14 MPa，加入SiCnws后性能稍有提升。引入SiO₂后，陶瓷的抗弯强度得到有效强化，当SiO₂含量为15 vol.%时，抗弯强度达到193±16 MPa，提高了52.6%。当SiO₂含量超过15 vol.%时，作为脆性相，会对陶瓷的机械性能产生不利影响。随着SiO₂含量进一步提高，陶瓷的抗弯强度逐渐降低。断裂韧性呈现出相同的变化趋势。当SiO₂含量为15 vol.%时达到峰值为3.1±0.5 MPa·m^1/2，相比纯BSAS陶瓷提高了94.0%。进一步提高SiO₂含量时，断裂韧性逐渐下降。

He and Hutchinson模型可以作为评价不同弹性材料间裂纹扩展行为的理论框架。对垂直于界面的裂纹，可以通过计算确定导致裂纹偏转或贯穿的临界值，如图中所示的灰色曲线，又被命名为交叉孵化曲线。通过计算界面两侧材料的弹性失配参数和断裂能比，可以确定界面相对曲线的位置，曲线的上方和下方分别对应裂纹会发生贯穿/偏转行为。根据计算结果可知，对于BSAS/SiCnws界面和BSAS/SiO₂界面，裂纹将不断扩展并穿透SiCnws和SiO₂区域。而对于SiO₂/SiCnws界面，裂纹发生偏转并将沿SiCnws表面持续扩展。由此可见，界面结构的优化是陶瓷力学性能特别是断裂韧性提升的主要原因。

图3：材料的机械性能分析：（a）弯曲强度和断裂韧性；（b）根据He and Hutchinson模型对不同陶瓷界面裂纹偏转行为的预测

根据材料的裂纹扩展路径分析可知（图4），对于构建SiO₂界面前的SiCnws/BSAS陶瓷，BSAS基体中的裂纹倾向于直接贯穿SiCnws。在引入SiO₂后，当SiO₂含量小于15 vol.%时，SiCnws表面不能被完全覆盖，部分裂纹也将直接贯穿SiCnws（图4b）。当SiO₂含量大于15 vol.%时，当裂纹穿过SiO₂区域时，将沿着SiCnws表面发生偏转，裂纹扩展路径与He和Hutchinson模型的拟合结果一致。此外，在剪切力的作用下，裂纹在SiO₂区域传播时，会发生分支裂纹和多次偏转的行为。分支裂纹在主裂纹周围形成，可以缓解裂纹尖端的应力集中，多次偏转可以延长裂纹扩展路径，从而有助于提高陶瓷的断裂韧性。

图4：材料的裂纹扩展路径分析：（a）SiCnws/BSAS陶瓷；（b-d）构建SiO₂界面后的SiCnws/SiO₂/BSAS陶瓷

该研究结果表明，构建嵌入式SiO₂界面可以有效提高SiCnws/Ba_0.75Sr_0.25Al₂Si₂O₈多相陶瓷的力学性能，验证了低软化温度低模量界面对纳米增强剂强韧化功能的提升效果。低熔点可以增强烧结过程中陶瓷粉末的流动性，优化纳米增强剂的分散效果，从而更好地发挥其强韧化作用。低模量可以导致裂纹偏转，使陶瓷增韧。该工作提出的低软化温度、低模量嵌入式界面的设计策略，为多相陶瓷的界面结构设计以及强韧化提供了新的设计思路。

5、作者及研究团队简介

范晓孟（通讯作者）

西北工业大学材料学院 副教授 博士生导师。长期从事高温承载吸波一体化、高热/力稳定性陶瓷基复合材料的研究，先后主持重点计划课题、国家自然科学基金面上项目等项目；累计发表学术论文120余篇，包括J Adv Ceram，Adv Funct Mater，Adv Sci，Research，Corros Sci，Compos Sci Technol，J Mater Sci Technol等。

李鑫（第一作者）

香港城市大学博士后研究员，2023年博士毕业于西北工业大学材料学院。研究方向为陶瓷功能材料设计制造与表征，主要从事材料的电磁功能设计、多频谱响应机制分析、微纳结构设计等相关研究工作。累计发表论文20余篇，包括J Adv Ceram，Adv Funct Mater，Chem Eng J，J Mater Sci Technol等。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

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