科学网—武汉理工大学秦笑威/季伟/傅正义等：界面应力下诱导晶粒畸变生长，突破传统氮化硅陶瓷“强度-韧性-硬度”相互制衡的性能瓶颈-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-4-28 10:12
| 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:
Qin X, Zou J, Wang W, et al. Intergrown columnar clusters toughening silicon nitride ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221303
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221303
ResearchGate ： Intergrown columnar clusters toughening silicon nitride ceramics
一， 导读
氮化硅综合性能最为优秀的工程陶瓷材料，但受限于氮化硅 α 相（高硬度特性）与 β 相（高韧性特性）热力学上的不兼容性，其韧性与硬度在本质上始终难以同步提升。本文突破了氮化硅受限与相组分决定的性能瓶颈，制备了具有共生团簇微观结构的高性能氮化硅陶瓷，实现了材料韧性（ 10.2 ± 0.3 MPa·m 1/2 ）与维氏硬度（ 20.1 ± 0.3 GPa ）的协同强化。该材料的综合性能，是目前已报道的液相烧结法制备氮化硅陶瓷中的最优水平。研究证实，柱状晶团簇的形成由高压诱导的晶粒粗化过程主导。高压下相变后的亚稳态生长机制，有望为研发新一代高性能氮化硅陶瓷提供全新技术路径，并丰富高压制备陶瓷材料机制研究的理解。
二， 研究背景
氮化硅陶瓷材料，因其卓越的力学性能逐渐发展成为应用最为广泛，综合性能最为优异的结构陶瓷。不仅如此，氮化硅还因其具有优异的生物兼容性，高介电性能和较高的理论热导率，在半导体和能源领域具有广泛的研究和应用前景。然而液相烧结作为制备氮化硅陶瓷的主要机制，其固有相变易形成 β 相主导的微观结构，虽能实现高韧性与高强度，却牺牲了材料的硬度与可靠性。高压烧结可将烧结温度降至相变点以下，制备出高硬度 α 相氮化硅，却存在韧性与强度不足的问题，常规的工艺参数与粉体成分调控均无法突破这一由相组成导致的性能瓶颈。除此之外，目前市面上商用氮化硅制品（如氮化硅精密轴承），普遍依赖流程繁琐的制备工艺与严苛的高端烧结设备，生产成本高、量产难度大。伴随半导体、能源产业高速迭代升级，高功率、高精度、长寿命的器件需求持续爆发，市场迫切需要综合性能更优异、稳定性更强、适配性更广的新一代氮化硅陶瓷材料，以此突破传统材料与制备工艺的双重局限。
三， 文章亮点
1. 首次报道高压作用相变过程中晶粒生长动态过程，报道了高温烧结过程中高压应力作用动态聚合的过程形成畸变的柱状团簇。
2. 高压亚稳态的晶粒生长形成的结构突破氮化硅受制于相组分的性能极限，实现了氮化硅陶瓷强度、韧性与硬度的同步显著提升，抗弯强度为 982 ± 63 MPa 、断裂韧性为 10.2 ± 0.3 MPa ・ m¹/² 、维氏硬度为 20.1 ± 0.3 GPa 。
四， 研究结果及结论
针对氮化硅因其高硬度相合高韧性相热力学不兼容的固有矛盾，前期研究发现，高压辅助液相烧结可通过应力诱导界面迁移机制发生相变，突破传统相变的热力学约束，为解决氮化硅硬度与韧性的性能权衡问题提供了全新思路。
在此基础上，本研究通过调控 2 、 4 、 6 wt% 梯度化助烧剂添加量，实现助剂液相量从少量到充足的变化，并在 1550 ℃ 、 1600 ℃ 两个高于相变温度的条件下开展高压烧结实验，系统考察了高压烧结下液相含量、烧结温度对氮化硅颗粒生长行为的影响规律。研究发现，高压可通过界面应力促使液相中析出的颗粒发生畸变生长，最终形成兼具高硬度与高韧性的簇状微观结构，成功破解了氮化硅 α 相、 β 相特性对立带来的性能制约难题。本研究最终实现了氮化硅陶瓷强度、韧性与硬度的同步显著提升，具体性能指标为：抗弯强度 982 ± 63 MPa 、断裂韧性 10.2 ± 0.3 MPa ・ m¹/² 、维氏硬度 20.1 ± 0.3 GPa 。
作者和通讯作者简介和照片
秦笑威（第一作者） ，武汉理工大学材料科学与工程学院博士研究生，主要从事先进陶瓷以及烧结制备技术研究，特别是氮化物和氧化物等烧结技术的基本原理和应用。邮箱： qin-xiaowei@whut.edu.cn
傅正义（通讯作者） ，于 1994 年获武汉理工大学材料科学与工程专业博士学位。 1990 至 1991 年，他在美国加州大学戴维斯分校完成了部分博士科研工作。现任武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室主任、中国工程院院士、教育部长江学者特聘教授。同时，他也是美国陶瓷学会会士、世界陶瓷科学院院士。
季伟（通讯作者）， 于 2017 年获武汉理工大学材料加工工程专业博士学位。现任材料复合新技术国家重点实验室全职教授，主要从事高性能陶瓷烧结的基础理论研究与技术创新工作。曾于 2019 年斩获美国陶瓷学会 Ross Coffin Purdy Award (2019) and ECD Global Young Investigator Award (2019) 。同时担任《交叉学科材料》期刊执行编辑。
《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 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； 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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