科学网—郑大邵刚/西南交通大学安立楠/东莞理工学院何洪田等：动态压力在烧结中的真实作用，制备高性能Al 2 O 3/TiCp复合陶瓷-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-7-29 09:41
| 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:
He H, Huang J, Tian H, et al. Mechanism of oscillatory pressure on densification and microstructural evolution in Al 2 O 3 /TiC p composites. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221341
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221341
ResearchGate ： Mechanism of oscillatory pressure on densification and microstructural evolution in Al 2 O 3 /TiC p composites
基金支持：
国家自然科学基金面上项目（ 52072344 ， U1904180 ），国家自然科学基金青年项目（ 52502058 ），广东省基础与应用基础项目（ 2024A1515110198 ）
一、 导读
振荡压力烧结技术自 2014 年首次提出以来，已经在多个材料体系上展现出了优异效果，如提高密度，优化微观结构和提高力学性能等。但动态压力在烧结中如何改变微观结构，提升密度和力学性能一直尚不明晰，在前期的工作中，我们利用致密化动力学解释了动态压力在何种机制下起到促进作用，但关于其频率和幅值的协同效果没有深入探究。本工作利用致密化动力学和金属疲劳理论，结合粘弹性理论，具体分析了烧结过程中动态压力各个参数的协同作用，为后续的进一步应用给出指导。
二、 研究背景
高性能陶瓷及其复合材料是先进制造等高端装备发展的关键材料，而烧结工艺直接决定了这类材料的微观结构与服役性能。振荡烧结作为一种近年来新提出的动态压力辅助烧结技术，凭借优异的致密化效果和抑制晶粒长大的能力，已发展成为一种制备高性能陶瓷的有效手段，并在多种材料体系中得到初步应用。然而，目前对该技术中动态压力的作用机制及多参数耦合影响规律的认识尚不深入，工艺优化严重依赖经验性试错，这不仅耗费大量工程时间，也严重制约了该技术从实验室向工业应用的进一步推广，因此迫切需要在机理层面取得突破。在此背景下，深入系统研究动态压力及其工艺参数对烧结过程的影响和调控，具有重要的科学价值和现实紧迫性。本研究以 Al2O3/TiCp 复合材料为模型体系，融合烧结动力学与金属磁滞理论，详细解析了动态压力在烧结过程中的促进作用机理，以及动态参数对循环行为的影响规律，为振荡烧结理论的深化和该技术的快速推广提供了重要支撑。
三、文章亮点
1． 首次将金属疲劳理论中的迟滞回线概念借鉴到振荡烧结中，实时监测陶瓷的振荡烧结行为，揭示了由振荡压力激活的粘弹性晶界以及晶界往复滑移的硬化 / 软化阶段。
2． 利用 AFM 和 TEM 测试表征，明晰了振荡压力能有效降低晶界能和晶界厚度，从而抑制晶粒长大，加快晶界扩散和体扩散，提高材料致密化速率；
3． 基于致密化机理和磁滞回线，提出了粘弹性模态：即振荡压力可诱导反复的晶界滑移，在复合材料内部产生内摩擦，导致晶界产生局部热（减少边界曲率或能量），减少残余应力，降低晶界能和晶界厚度；
四、研究结果及结论
1. 致密化曲线和磁滞曲线：在该烧结温度下， Al 2 O 3 /TiC p 陶瓷复合材料出现了明显的晶界滑移，而磁滞曲线的出现则进一步证明了在晶界滑移存在的情况下，晶界可以理解为粘弹性流体，为后续模型的建立提供依据。
图 1 振荡烧结 Al 2 O 3 /TiC p 陶瓷复合材料的烧结曲线和磁滞回线
2. 微观结构变化： XRD 结果表明动态压力的施加缓解了残余应力； SEM 结果进一步证明了动态压力可以抑制晶粒尺寸生长。
图 2 Al 2 O 3 /TiC p 陶瓷复合材料的 XRD 图谱和晶粒尺寸变化
3. 晶界结构变化： AFM 和 TEM 的实验结果证明动态压力可以降低晶界能和晶界厚度。
图 3 Al 2 O 3 /TiC p 陶瓷复合材料的 AFM 图像
图 4 Al 2 O 3 /TiC p 陶瓷复合材料的 TEM 图像
4. 采用 HOP 技术制备的 Al 2 O 3 /TiC p 陶瓷复合材料几乎达到了全致密，其维氏硬度为 21.8 ± 0.3 GPa ，抗弯强度为 795 ± 29 MPa ，与传统热压烧结相比，强度提升超过 21% 。
图 5 Al 2 O 3 /TiC p 陶瓷复合材料的力学性能变化
五、作者及研究团队简介
邵刚 ，男，博士，郑州大学教授 / 博导。主要围绕聚合物先驱体陶瓷、极端环境传感器以及场辅助陶瓷制备技术等方面开展系统研究。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金（ 3 项）、中国航发产学研项目以及河南省优秀青年基金等项目 10 余项。在 A. Func. Mater. 、 J. Mater. Chem. A 、 ACS Appl. Mater. Inter. 、 J. Adv. Ceram. 、 J. Eur. Ceram. Soc. 等期刊上发表 SCI 论文 200 余篇， ESI 高被引论文 7 篇，获 RSC 全球 top1% 高被引中国学者；参加国内外学术会议 20 余次，受邀做主旨报告 / 邀请报告 10 余次；授权中国发明专利 15 项，参编高等学校教材 1 部；目前兼任中国硅酸盐学会特种陶瓷分会青年工作委员会副秘书长、中国机械工程学会工程陶瓷分会理事、中国硅酸盐学会测试分会理事、中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事、美国陶瓷学会会员以及 Journal of Advanced Ceramics 、 International Journal of Applied Ceramic Technology 等期刊编委。
安立楠， 男，西南交通大学特聘讲座教授。长期从事聚合物转化陶瓷材料、纳米材料的研究工作。承担了美国科学基金、 NASA 和 DOE 的科研项目多项。曾多次担任科罗拉多州 Sporian Microsystem Technologies Inc. 研究主任 。现任美国陶瓷协会、美国机械工程师协会会员。
何洪田 ，男，东莞理工机械学院准聘讲师。主要研究方向为高性能陶瓷制备制造和场辅助烧结技术。目前已发表 13 篇 SCI 论学术论文，近五年以第一作者发表 8 篇 SCI 论文，其中中国科学院一区 3 篇，中国科学院二区 5 篇，授权中国发明专利 2 项，主持国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究项目两项。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） He, H, Zhao, R, Tian, H, et al. Sintering behavior of alumina whisker reinforced zirconia ceramics in hot oscillatory pressing. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11 : 893–900. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0583-5
2 ） He H, Shao G, Zhao R, et al. Oscillatory pressure-assisted sinter forging for preparation of high-performance SiC whisker reinforced Al 2 O 3 composites. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(2): 321-328. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220685
《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； 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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主题：动态压力|降低晶界能和晶界厚度