科学网—河北工程大学张志晓教授：TiC包裹SiCw核壳结构晶须增韧Al 2 O 3陶瓷—制备、性能及增韧机理-清华大学出版社学术期刊的博文
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2025-8-1 09:48
| 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:
Li W, Pang H, Zhang Z, et al. Core–shell SiC w @TiC composite whisker-reinforced Al 2 O 3 ceramics: Preparation, properties, and toughening mechanisms. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(6): 9221093. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221093
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221093
ResearchGate ： Core-shell SiC w @TiC composite whisker-reinforced Al 2 O 3 ceramics: Preparation, properties, and toughening mechanisms
1 、 导读
本研究制备出一种以 TiC 包覆 SiC w （ SiC w @TiC ）核壳结构晶须作为增强相的 Al 2 O 3 复合陶瓷，并研究核壳结构晶须在陶瓷基体内的形成机制、微区应力分布及增韧机理。 SiC w @TiC 核壳结构晶须微区呈现出复杂的几何形态与多维异质性，这种独特的微区结构产生复杂的应力场，诱发多种机制耗散裂纹扩展能，显著提升 Al 2 O 3 基体的断裂韧性。所制备的 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性分别为 21.38 ± 0.93 GPa 、 693 ± 49 MPa 和 7.15 ± 0.47 MPa·m 1/2 。这种以核壳结构晶须作为增强相的设计理念、制备方法以及增韧机理为结构陶瓷增韧研究提供了新思路。
2 、 研究背景
Al 2 O 3 陶瓷具有优异的物理化学性能和相对低的成本，已经在航空航天、国防、机械、石油化工和生物医学等领域得到了应用。然而，低断裂韧性限制了其更广泛的应用，因此，增韧一直是 Al 2 O 3 陶瓷的重要研究方向。研究表明，通过引入不同形态尺寸的第二相，如颗粒、晶须、纤维、管状或片状结构的 TiB 2 、 Si 3 N 4 、 SiC 、 ZrO 2 和 TiC 等，可有效提升 Al 2 O 3 陶瓷断裂韧性。其中， SiC w 因其低缺陷密度、高弹性模量、优异的拉伸强度和卓越的热稳定性等综合优势，成为最有效的增韧剂之一。尽管 SiC w 增韧 Al 2 O 3 陶瓷的研究不断推进，但近年来 SiC w 的增韧效果已进入平台期。这种停滞主要源于当前研究多聚焦于优化 SiC w 引入方法和烧结工艺，而非创新增韧结构本身。如图 1 （ a ）和（ b ）所示，现有 Al 2 O 3 -SiC w 复合材料的增韧结构始终局限于 SiC w 独立分散在 Al 2 O 3 基体中。虽然 SiC w 引入方法和烧结工艺优化能不同程度促进 Al 2 O 3 陶瓷断裂韧性提升，但是由于最终产物的增韧结构基本相同，因此其增韧效果差异不大，亟需开发新型增韧结构以突破当前 Al 2 O 3 -SiC w 复合陶瓷的增韧瓶颈。
图 1 Al 2 O 3 -SiC w 复合陶瓷微观结构示意图 （ a ）单一 SiC w 增韧 , （ b ）相互分离的 SiC w 和异相颗粒协同增韧 , （ c ）本研究提出的 SiC w @TiC 核壳结构晶须增韧
3 、文章亮点
（ 1 ）提出一种以 TiC 包覆的 SiC w （ SiC w @TiC ）核壳结构晶须作为 Al 2 O 3 陶瓷增韧相的理念。
（ 2 ） Al 2 O 3 陶瓷基体内的 SiC w @TiC 核壳晶须微区呈现出复杂的几何形态与多维异质性，这种独特的微区结构产生复杂的应力场，诱发多种机制消耗裂纹扩展能，显著提升 Al 2 O 3 基体的断裂韧性。
（ 3 ） Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷断裂韧性达到 7.15±0.47 MPa·m 1/2 ，优于多数 Al 2 O 3 -SiC w 复合陶瓷。
4 、研究结果及结论
图 2 SiC w @TiC 核壳结构晶须粉体的（ a ） XRD 谱图 , （ b ） TEM 图片，（ c ） - （ f ） EDS 图片 , （ g ）和（ h ） SEM 图片 , （ i ）直径分布图
图 2 展示了通过熔盐法合成的 SiC w @TiC 核壳结构晶须粉体的物相组成和微观结构。可以看出， SiC w @TiC 核壳结构晶须主要由 SiC 和 TiC 两种目标物相组成，微米级的 SiC w 作为核，被纳米级 TiC 颗粒组成的厚度约为 85nm 的壳层所包裹，呈现出典型的核壳结构。上述结果表明， SiC w @TiC 核壳结构晶须粉体被成功制备。
图 3 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷抛光面的（ a ） XRD 谱图 , （ b ）和（ c ） BSE 图片 , （ d ） - （ i ） EDS 图片
图 3 （ a ）表明，烧结后 SiC w @TiC 复合晶须在 Al 2 O 3 基体内没有发生物相变化，原始物相 SiC 和 TiC 得到保留。图 3 （ b ） - （ i ）展现， SiC w @TiC 核壳结构晶须均匀的分散在 Al 2 O 3 基体内， SiC w 核与 TiC 壳层之间以及 TiC 壳层与 Al 2 O 3 基体之间具有良好的界面相容性，这对提升材料的力学性能至关重要。此外，在基体中还观察到孤立的 TiC ，这是由于 SiC w @TiC 复合晶须粉体在清洗、筛分和混合过程中核壳结构发生部分破坏所致。图 3 证实烧结后 SiC w @TiC 复合晶须的核壳结构在 Al 2 O 3 基体中得以保留，从而成功制备出了 SiC w @TiC 核壳结构晶须增韧的 Al 2 O 3 复合陶瓷。
图 4 （ a ） - （ e ）展现微米级的 SiC w 被纳米级 TiC 颗粒组成的壳层所包裹， TiC 的晶粒尺寸和壳层厚度与烧结前 SiC w @TiC 晶须粉体中的 TiC 晶粒保持一致，进一步证实了核壳结构的稳定性。图 4 （ f ）和（ g ）呈现出复杂的断裂表面，核壳结构晶须周围存在多维度的断裂方式：微米级 Al 2 O 3 晶粒与 TiC 壳层之间的界面（蓝色箭头标记）以及 SiC w 与 TiC 壳层之间的界面（红色箭头标记）发生了沿晶断裂； TiC 壳层自身也沿 TiC 纳米晶粒的晶界发生断裂，产生的断面连接了壳层两侧的界面（绿色箭头标记）。同时，还可见晶须拔出现象，包括 SiC w 从 TiC 壳层中拔出（黑色方框标记）以及 SiC w @TiC 核壳晶须整体从基体中拔出（黑色椭圆标记）。图 4 （ h ） - （ k ）展现了 SiC w 晶须拔出（黄色箭头标记）和 SiC w 核内自身的穿晶断裂（浅蓝色箭头标记）现象。这些多维度的断裂机制有助于提高复合陶瓷的断裂韧性。
图 4 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷断面的（ a ） SEM 图片，（ b ） - （ e ） EDS 图片 , （ f ） - （ k ） SEM 图片
表 1 对比了本研究制备的纯 Al 2 O 3 陶瓷、 Al 2 O 3 -SiC w 复合陶瓷、 Al 2 O 3 - SiC w @TiC 复合陶瓷的力学性能，以及其他文献报道的 Al 2 O 3 -SiC w 复合材料的力学性能。 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷的维氏硬度为 21.38±0.93 GPa ，与报道的 Al 2 O 3 - SiC w 复合材料的维氏硬度相当。 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷的抗弯强度为 693±49 MPa ，略高于 Al 2 O 3 -SiC w 复合陶瓷对照样品（ 619±36 MPa ），这种增强可归因于 TiC 作为过渡层对 SiC w 产生压应力，有利于提高复合材料的强度。值得注意的是， Al 2 O 3 -SiC w @TiC 断裂韧性为 7.15±0.47 MPa·m 1/2 ，明显优于其他 Al 2 O 3 -SiC w 复合材料，表明核壳结构晶须增韧的策略是有效的。
图 5 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷带有裂纹的抛光表面 BSE 图片（白色箭头标注了裂纹扩展方向）
图 5 揭示了 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷中裂纹的扩展行为。裂纹扩展机制可从两个层面进行分析。若将 SiC w @TiC 核壳结构晶须视为一个整体，会出现裂纹偏转、晶须桥接和晶须断裂等现象，这与单相 SiC w 增强 Al 2 O 3 陶瓷的机制相似。若将 SiC w @TiC 晶须视为一种复合结构，晶须内部展现额外的裂纹扩展路径。 SiC w @TiC 的核壳结构显著延长了裂纹扩展路径，并沿 SiC w -TiC 界面诱导出反向裂纹。此外，裂纹被迫两次穿过 TiC 壳层，进一步耗散了裂纹扩展能量。这种多维度的裂纹扩展行为源于 SiC w @TiC 晶须周围复杂的应力环境，而这种应力环境是由复合晶须独特的几何结构（纳米颗粒组成的 TiC 壳层完全包裹 SiC 晶须）和多维度异质性（ Al 2 O 3 /SiC/TiC 物相组成差异、微米 / 纳米晶粒尺寸差异以及热膨胀系数差异）所导致的。总之，在 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷内， SiC w 的增韧机制仍然有效，而特殊的核壳结构又引入了独特的能量耗散机制，这种双重作用使得 Al 2 O 3 -SiC w @TiC 复合陶瓷具有优异的断裂韧性。
图 6 COMSOL 软件对 SiC w @TiC 核壳结构晶须周围残余应力大小及分布的模拟
图 6 展现， TiC 壳层与 SiC w 界面处的应力高达 2119.7 MPa ，这种高应力促使裂纹沿 TiC 壳层与 SiC w 的界面扩展。同时，在外部应力作用下， SiC w 晶须内部产生高达 2114.0 MPa 的应力，导致裂纹穿过 SiC w 引发穿晶断裂，这与图 5 所示的裂纹扩展模式基本一致。此外，在核壳结构晶须的两端， TiC 壳层与 SiC w 界面处产生了 2259.9 MPa 的峰值应力，这解释了为何晶须拔出现象主要发生在核壳结构晶须的端部。应力分布模拟结果与核壳结构晶须微区的断裂模式高度吻合，为 SiC w @TiC 核壳结构晶须增韧机制解释的合理性和可靠性提供了有力证据。
5 、作者及研究团队简介
李卫星（第一作者） ，河北工程大学材料科学与工程学院硕士研究生，研究方向为复合陶瓷结构设计及增韧机理，参与国家自然科学基金和河北省自然科学基金项目研究，以第一或共同作者身份发表 SCI 论文 6 篇，申请发明专利 1 项。
张志晓（通讯作者） ，教授，博士生导师，全国青年岗位能手，新加坡国立大学博士后，现任河北工程大学分析测试实验中心主任。获河北省拔尖人才（专技），河北省优青，河北省“三三三人才工程”人选，河北省高新技术企业评审专家，首批邯郸市青年拔尖人才等称号。担任 International Journal of Applied Ceramic Technology 编委， Journal of Advanced Ceramics 青年编委，《无机材料学报》青年编委， World Journal of Engineering 副主编，河北省兵工学会常务理事等学术兼职。长期从事复合陶瓷结构设计、特种制备技术及强韧化机理研究。近年来获河北省自然科学奖三等奖 1 项（第一完成人）；主持国家自然科学基金、河北省优秀青年科学基金、河北省高层次人才资助项目等省级以上科研项目 8 项。以第一 / 通讯作者身份在 J Eur Ceram Soc ， J Adv Ceram ， J Am Ceram Soc 等期刊上发表 SCI 论文 40 余篇（包括 ESI 热点论文 1 篇、高被引论文 2 篇）；获授权国家发明专利 12 项，实现专利转让 3 项；
张晓荣（通讯作者） ，教授，硕士生导师，河北工程大学机械与装备工程学院教师，机械工程学科学术骨干，河北省智能工业装备技术重点实验室学术带头人。获河北省“三三三人才工程”人选，河北省燕赵英才（ A ），河北省高等学校青年拔尖人才，河北省高新技术企业评审专家，邯郸市“最美青春榜样”，河北工程大学教学名师等称号。近年来获河北省自然科学三等奖 1 项；以第一 / 通讯作者发表 SCI 论文 20 余篇；获授权国家发明专利 8 项；主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金（面上和青年）等科研项目 10 余项。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Shi Y, Li W, Zhang X, et al. Preparation and toughening mechanism of Al 2 O 3 composite ceramics toughened by B 4 C@TiB 2 core-shell units. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(12): 2371-2381. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220826
《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，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，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。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 ，连续 4 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 31 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； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 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。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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