科学网—太原理工大学宋金鹏/苏州国家实验室周延春联合上海晨华科技股份有限公司：首次将超声辅助热压用于高温烧结B 4 C陶瓷-清华大学出版社学术期刊的博文
已有 10331 次阅读
2026-1-7 10:44
| 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:
Wang Z, Gao J, Song J, et al. Ultrasonic-assisted hot pressing (UAHP): A novel strategy to enhance densification and improve mechanical properties of B 4 C. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221236
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221236
ResearchGate ： Ultrasonic-assisted hot pressing (UAHP): A novel strategy to enhance densification and improve mechanical properties of B 4 C | Request PDF
1 、 导读
超声波的高频振动可驱动粉末颗粒做不规则运动，打破颗粒的静摩擦，导致颗粒的重排和填充孔隙；此外，超声波作为一种额外的能量输入，它与传统烧结的热场（热能）和压力场（机械能）的耦合可改变烧结条件，同时具有提高材料性能的潜力，因此，超声波辅助热压 (UAHP) 烧结技术成为一种提高致密化效率和材料性能的新技术。然而，由于 超声系统在高温条件下频率失配的难题一直未获得突破，导致UAHP 长期以来仅限于金属材料的制备。针对上述问题，最近 太原理工大学宋金鹏 / 苏州国家实验室周延春联合上海晨华科技股份有限公司实现了将 UAHP 的工作温度突破至 2000 ℃ ，并首次将该技术用于制备难烧结 B 4 C 陶瓷材料。实验表明，与传统热压（ HP ）相比， UAHP 可以显著提高烧结效率和致密度，降低致密化温度，所制备的 B 4 C 具有更优异的机械性能。该研究为难烧结陶瓷的高效制备与性能优化开辟了新途径，为超声技术在极高温条件下的应用奠定了科学基础。
2 、 研究背景
高温 / 超高温陶瓷的强共价键和低扩散系数特性使得其致密化具有挑战性。采用现有的烧结技术获得高致密度的高温 / 超高温陶瓷通常需要非常高的温度、压力及保温时间。虽然采用添加烧结助剂可以降低烧结温度，但往往以牺牲微观结构的控制和高温机械可靠性为代价。近年来， UAHP 在提高金属材料致密化效率和力学性能方面获得了成功应用。然而， 由于超声系统在高温条件下频率失配，导致该技术未在高温陶瓷领域获得应用。针对上述问题，本研究成功解决了频率失配等一系列技术难题，将UAHP 的制备温度提升至2000 ℃ 以上，首次应用于烧结单相B 4 C 陶瓷。
3 、文章亮点
1 ）首次将 UAHP 的工作温度提升至 2000 ℃ 以上，成功地将该技术的应用范围从延展性金属扩展至难烧结陶瓷；
2 ）与传统 HP 相比， UAHP 展现出更高的致密化效率，所制备的单相 B 4 C 具有优异的机械性能；
3 ） UAHP 致密化机理主要包括：摩擦减阻促进颗粒重排，局部摩擦诱导热软化，声致软化促进塑性变形和应力叠加加速孔隙收缩和消除。
4 、研究结果及结论
图 1(a) 为 UAHP 烧结炉的示意图。 UAHP 采用石墨发热体作为加热元件，炉温可达 2000 ℃ 以上；通过对超声换能器和变幅杆进行水冷，确保超声系统在高温条件下稳定工作。图 1(b) 展现了 UAHP 的原位本征频率测试结果，当工作温度从 800 ℃ 升高至 2200 ℃ 时，超声系统稳定工作在频率跟踪（ 20±0.5 kHz ）的范围内。这表明 UAHP 的应用范围可从延展性金属材料的制备跨越至难烧结高温 / 超高温陶瓷的制备。
图 1 (a) UAHP 烧结炉示意图， (b) 不同工作温所对应 UAHP 的本征频率， (c) UAHP 应用从延展性金属材料的制备跨越至难烧结高温 / 超高温陶瓷的制备
图 2 对比了 1900 ℃ 不同保温时间下 UAHP 和 HP 烧结 B 4 C 的相对密度、显气孔率、平均粒径和微观形貌。在相同保温时间下，与 HP 相比， UAHP 所制备的 B 4 C 具有更高的相对密度和更低的显孔隙率。当保温 30 min 后， UAHP 和 HP 所制备 B 4 C 的相对密度分别为 97.22% 和 90.90% 。结合 SEM 分析可知， UAHP 所引入的超声振动可以加速孔隙闭合，提高材料致密度。
图 2 在 1900 ℃ 不同保温时间下 (a) 采用 UAHP 与 HP 方法制备 B 4 C 的相对密度与表观孔隙率对比， (b) 采用 UAHP 与 HP 方法制备 B 4 C 的平均晶粒尺寸对比， (c)-(h) 采用 UAHP 与 HP 方法制备 B 4 C 的表面微观形貌对比： (c) 1900 ℃/5 min/UAHP, (d) 1900 ℃/15 min/UAHP, (e) 1900 ℃/30 min/UAHP, (f) 1900 ℃/5 min/HP, (g) 1900 ℃/15 min/HP, (h) 1900 ℃/30 min/HP
UAHP 烧结 B 4 C 的致密化机理以塑性变形为主导，高频率超声振动可以促进层错，位错和孪晶的形成。
图 3 采用 UAHP 在 1900 ℃ 保温 30 min 制备 B 4 C 的 TEM 图像： (a) 低倍明场像， (b) B 4 C 晶粒 TEM 明场像，其中层错 (SFs) 和孪晶 (Twins) 标记为 B1 、 B2 和 B3 ， (c) 图 3(b) 中 B1 区域的 HRTEM 图像及沿 [11— 1— ] 经带轴的选区电子衍射谱 (SAED) ， SFs 平行于 (011— ) 晶面， (d) 图 3(b) 中 B2 区域的 HETEM 图像及沿 [1— 11] 经带轴的 SAED 花样， TBs 和 SFs 平行于 (011— ) 晶面， (e) 和 (f) 为图 3(b) B3 区域的 HRTEM 图像及沿 [11— 1— ] 经带轴方向的 SAED 花样， TBs 和 SFs 平行于 (101) 晶面， (g) 矩形内变形区域的 TEM 图像， (h) HRTEM 图像及沿 [11— 2] 经带轴的 SAED 花样， (i) 图 3(h) 中 H1 区域的位错滑移和攀移方向
在 UAHP 烧结 B 4 C 过程中，超声振动增强致密化的主要机理包括颗粒重排、局部摩擦加热、声致软化和应力叠加；第一阶段，超声振动通过降低颗粒间摩擦阻力从而增强颗粒重排；第二阶段，超声振动促使颗粒间相互接触摩擦从而诱导局部热软化；第三阶段，声致软化降低晶格阻力并减小位错激活能从而促进塑性变形，应力叠加提供额外驱动力从而加速孔隙收缩和消除。
图 4 UAHP 烧结 B 4 C 的致密化行为及微观形貌演变示意图
与传统的 HP 相比， UAHP 所制备的 B 4 C 展现出更高的机械性能。通过优化保温时间，使得在 1950 ℃ 保温 20 min 及在 2050 ℃ 保温 5 min 采用 UAHP 制备的 B 4 C 展现出更优异的机械性能。与在相同温度下 UAHP/HP 烧结 30min 的样品相比，其弯曲强度分别提升至 669.3±19.4 MPa （增长 12%/14% ）和 668.3±32.5 MPa （增长 21%/17% ），断裂韧性分别提升至 4.37±0.13 MPa·m 1/2 （增加 4%/34% ）和 4.22±0.29 MPa·m 1/2 （增加 11%/37% ）。
图 5 采用 UAHP 和 HP 烧结的 B 4 C 的机械性能对比： (a) 维氏硬度， (b) 抗弯强度， (c) 断裂韧性
5 、作者及研究团队简介
王卓（第一作者）， 太原理工大学机械工程学院博士研究生，主要研究方向为超声辅助热压技术和高性能陶瓷材料的制备。
宋金鹏（通讯作者）， 太原理工大学教授 / 博士生导师，主要从事超声技术、高效加工及数控刀具技术、智能制造技术及先进制造理论与技术。主持国家自然科学基金年和面上项目、山西省高等学校科技创新项目、山西省科技厅成果转化专项等科研项目 6 项。以第一或通讯作者发表学术论文 60 多篇，授权发明专利 20 余件。
高姣姣（通讯作者）， 太原理工大学副教授 / 硕士生导师，主要从事高性能航空零部件成型制造 / 修复，高性能航空陶瓷复合材料的制备及性能研究。
周延春（通讯作者）， 苏州国家实验室研究员，国家青年基金 A 、中国科学院院长奖学金特别奖、国家科技进步二等奖、辽宁省自然科学一等奖、美国陶瓷学会 Global Star 奖、美国陶瓷学会 Bridge Building 奖获得者，入选爱尔思维尔 2019-2024 年中国高被引学者。美国陶瓷学会会士、世界陶瓷科学院院士、亚太材料科学院院士。 Extreme Materials 创刊主编、 J. Adv. Ceram. 主编 、 J. Mater. Sci. Tech. 和 J. Am. Ceram. Soc . 等国际期刊的 Editor 。
个人主页： https://www.researchgate.net/profile/Yanchun_Zhou
研究方向 ：高性能陶瓷及陶瓷基复合材料的设计、制备与性能调控
作者邮箱 ： yczhou@alum.imr.ac.cn
作者 ORCID ： 0000-0001-5676-5676
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Fang C, Dong S, Zhang X, et al. Breaking the 3000 ℃ melting temperature barrier of oxide ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(11): 9221193. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221193
2) Li F, Zhang G, Zhou Y, Zhang X. Expanding the members of ultra-high temperature ceramics and their maximum service temperature exceeding 3000 o C. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14: 9221231. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221231 .
3 ） Zhang S, Zhang J, Wang X, et al. Preparation, mechanical, and thermal properties of CrNbO 4 : A novel dual-functional scale to protect RHEAs from oxidation and thermal attack. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(7): 9221100. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221100
《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； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 33 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
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3534092-1517443.html
上一篇： 韩国材料科学研究所：基于闪烁式数字光处理的功能梯度增材制造，兼具颜色与透明度梯度的氧化锆牙冠 下一篇： 西安交通大学陈林/杨冠军：RSZ/YSZ热障涂层1800 ℃长寿命服役