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吉林大学刘冰冰、唐虎教授团队：让“硬”与“韧”兼得，相变调控构筑三相氮化硅原位复合陶瓷精选

已有 752 次阅读 2026-9-7 09:35 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

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

Cite this article:

Liu S, Feng B, Liu Z, et al. Phase-transition-regulated precipitation–densification to achieve a hardness–toughness synergy in in-situ composite ceramics of triphase silicon nitride. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221366

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221366

ResearchGate：Phase-transition-regulated precipitation–densification to achieve a hardness–toughness synergy in in-situ composite ceramics of triphase silicon nitride

1. 研究背景

高硬度与高韧性之间往往存在“此消彼长”的权衡关系，是结构材料领域长期面临的经典难题。传统复合策略通常通过引入不同组分实现性能互补，但不同组分之间常存在分布不均和界面结合不足等问题，限制了多相协同强化效果的充分发挥。氮化硅作为重要的结构陶瓷材料，具有α、β和γ等多种同质异构体，不同晶型在力学性能方面表现出显著差异。其中，γ相具有超过35 GPa的优异硬度，可提供良好的硬质强化作用；β相则具有较高的长径比，可通过裂纹桥接等机制有效提升材料的断裂韧性。然而，γ相形成过程中快速的相变动力学及显著的体积收缩易导致局部结构缺陷，并增加多相组织调控与界面构筑的难度。如何充分发挥不同相的性能优势，通过调控相变路径构筑均匀、稳定且界面结合良好的多相微结构，是实现氮化硅多相协同强化的关键。

2. 研究亮点

针对上述问题，吉林大学刘冰冰、唐虎教授团队系统研究了高温高压条件下氮化硅不同晶型之间的相变路径，揭示了α→γ和β→γ相变具有显著不同的动力学特征：β→γ相变需要克服更高的动力学能垒，而α→β转变则可在相对较低的温度下进行。基于不同相变路径之间的动力学差异，团队提出“析出—致密化”相变调控策略：以α-Si₃N₄为前驱体，首先促进γ相快速形核析出，随后通过降低温度调控γ相的长大动力学，减缓快速长大及相变收缩对局部结构演化的不利影响，同时促进残余α相向β相转变和陶瓷逐步致密化，从而实现不同晶型之间良好的界面键合，最终构筑出α、β和γ三相均匀分布的氮化硅原位复合陶瓷。

所获得的三相氮化硅原位复合陶瓷中，α、β和γ相质量分数分别为21.3%、40.2%和38.5%，维氏硬度达到26.34±0.61 GPa，断裂韧性达到6.02±0.48 MPa·m^1/2，实现了硬度与韧性的协同提升。其中，高硬度γ相提供主要强化作用，高长径比β晶粒则通过裂纹偏转、阻滞、再起裂、分叉和桥接等机制有效提升断裂韧性，而相变过程中原位形成的良好界面键合则促进了不同晶型之间的协同承载与裂纹调控，为宏观力学性能的协同提升提供了微观结构基础。该研究表明，相变过程不仅能够改变材料的晶体结构，更可以作为主动设计多相材料组成、微观组织和界面结构的重要工具，为利用相变动力学实现结构陶瓷的多相协同设计提供了新的思路。

3. 作者及研究团队简介

唐虎（通讯作者），吉林大学物理学院、高压与超硬全国重点实验室、综合极端高压科学中心教授、博士生导师。主要从事高温高压合成高性能新型结构材料的研究与应用。

刘书成（第一作者），吉林大学高压与超硬材料全国重点实验室博士生研究生，主要从事结构陶瓷增韧相关研究。

《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，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。