原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Wang W, Zhao L, Han A, et al. Joining B4C–TiB2 ceramics with Ti interlayer via spark plasma sintering: Temperature-dependent interfacial microstructure and mechanical strength. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221112
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221112
1、导读
在先进陶瓷研究领域，非氧化物复相陶瓷的连接技术一直是关注的焦点。虽然含SiC陶瓷体系的连接研究已取得显著进展，但无SiC陶瓷体系的连接机制研究仍存在诸多亟待解决的科学问题。本研究针对具有多功能性的超硬B4C– TiB2复相陶瓷，以Ti箔作为中间层，采用放电等离子烧结（SPS）技术，在1000–1400 °C温度区间对其连接开展了研究。研究团队通过先进的多尺度表征与热动力学计算相结合，系统揭示了连接界面的动态演变机制。研究发现，活性Ti与陶瓷相之间的竞争性反应会驱动界面发生“金属（Ti）→混合相（TiB2–TiC–TiB–Ti）→全陶瓷（TiB2–TiC–TiB）”的序构转变过程。在1300°C优化工艺条件下，接头剪切强度可达到72 MPa。这项研究不仅阐明了连接过程中温度-界面结构-力学性能之间的构效关系，更重要的是为无SiC复相陶瓷体系的连接提供了全新的理论指导和技术路径。研究成果对于推动超硬多功能陶瓷在核能装备、航天热防护等高端领域的工程化应用具有重要的科学意义和应用价值。
2、研究背景
B4C–TiB2复相陶瓷凭借其独特的结构-功能一体化设计，在极端环境应用领域展现出巨大潜力。该材料通过B4C相（具有超高硬度、超低密度）和TiB2相（高硬度、低密度、高导电）的优化组合，不仅具备优异的力学性能，还兼具高导电性、电火花可加工性及突出的高温电磁屏蔽特性，使其在航空航天、核能装备、电子器件等高新技术领域展现出广阔的应用前景。
脆性陶瓷的本征特性使其难以直接加工成复杂构件，严重制约了工程化应用。基于此，发展可靠的连接技术成为实现大尺寸、异形结构制造的关键突破口。本研究采用Ti箔作为中间层，利用SPS技术实现了B4C–TiB2复相陶瓷的高效连接，系统揭示了连接温度对界面微观结构演变及力学性能的影响规律，并阐明了接头的断裂行为与强化机制。
3、文章亮点
l 新型连接体系的设计：以Ti箔为中间层，首次成功实现了B4C–TiB2复相陶瓷的SPS连接，可为无SiC陶瓷材料的连接提供思路。
l 独特的导电传质机制：巧妙利用B4C–TiB2复相陶瓷中和Ti中间层的高导电特性，构建了高效电流通路，显著促进了SPS过程中界面传质与结合，为陶瓷连接提供了新思路。
l 多尺度机理研究：通过热力学计算与动力学分析的有机结合，系统揭示了连接温度对界面反应、微观结构演变及力学性能的影响规律，建立了完整的“工艺-结构-性能”关联模型，为复相陶瓷连接提供了理论指导。
4、研究结果及结论
(1) 在1000~1400 ℃，B4C–TiB2复相陶瓷与Ti发生界面反应，界面产物转变依次为Ti → TiB2–TiC–TiB–Ti→TiB2–TiC–TiB。在1400 ℃时，Ti箔完全消耗，形成了全陶瓷接头，接头中心处形成C富集，紧邻陶瓷基体形成TiB2富集层。
图1. (a) 不同温度下获得的接头微区XRD图谱，(b) 26–30°范围放大的微区XRD图谱
图2. 不同连接温度下接头的微观组织形貌：( a–a2 ) 1000 ℃，( b–b2 ) 1100 ℃，( c–c2 ) 1200 ℃，( d–d2 ) 1300 ℃，( e–e2 ) 1400 ℃
图3. ( a ) 1400 ℃连接样品的SEM照片及元素面分布，( b ) Ti，( c ) B，( d ) C
图4. 1300 ℃接头反应层的TEM分析：(a) FIB制备区域，(b) 明场图像，(c) 暗场图像，(d)-(g) 图7(b)中相应标记区域的 SAED花样，(h) 明场图像, (i) 区域1的放大TEM图像，(j) TiB堆垛层错的HRTEM图像(区域3)，(k–n) 图7(h)、(i)中相应标记区域的SAED花样，(o) 区域2的放大TEM图像，(k) 区域4的HRTEM图像，(q) (p) 区域5、6的IFFT图像。
(2) 温度对反应层厚度影响显著。在1000–1300 ° C之间，反应层厚度从3.26 μm逐渐增加到13.78 μm，反应层呈Arrhenius型动力学直接相关。计算得到界面反应的活化能( Q )为263 k J / mol，生长常数( k0 )为1.98 × 102 mm2 / s。
(3)
图5. (a) 连接温度与扩散速率间的Arrhenius关系图， (b) 反应层生长厚度的理论计算曲线
(4) 讨论了不同温度下复相陶瓷电场辅助连接的相演变机制。对相演变机制的深入研究揭示了连接过程中材料微观组织演变的规律，为优化工艺参数提供了理论支持，有助于确定更合理的工艺设计方案。整个相变过程包括物理接触、加热扩散、等温相变和接头形成阶段四个不同的阶段。
(5)
图6. 1000 – 1400 ℃保温10 min相变示意图：(a–a3) 1000 ℃ 和 1100 ℃, (b–b3) 1200 ℃ 和 1300 ℃, (c–c4) 1400 ℃.
(6) 剪切强度随温度变化呈现出先升高后降低的显著特征：从1000 ℃时的10 MPa增加至1300 ℃时的72 MPa，随后在1400 ℃降至53 MPa，这一趋势反映了温度驱动与厚度控制的强化机制。对不同接头的断裂行为进行分析并归纳出4种断裂模式，发现1300 ℃制备的连接接头的裂纹扩展贯穿陶瓷基体、反应层及残余Ti层，表现出典型的跨层断裂行为，从而验证了界面结合的高强度特性。
图7. 接头断裂的不同模式示意图
5、作者及研究团队简介
冉松林（通讯作者），安徽工业大学教授，博士生导师，入选安徽高端人才计划、江西吉安“双百计划”。2008.07博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，2008.08-2010.08在比利时荷语鲁汶大学（KULeuven）从事博士后研究。主要研究方向为结构陶瓷功能化、陶瓷连接、固废综合利用等。主持各类科研项目20余项（含国家自然科学基金项目4项）；以第一或通讯作者发表SCI论文70余篇；以第一发明人获授权中国发明专利13项，美国发明专利1项。担任Journal of Advanced Ceramics助理编辑、《陶瓷学报》、《稀有金属》等期刊青年编委；获《陶瓷学报》优秀青年编委、The American Ceramic Society期刊Outstanding Journal Reviewer、Ceramics International期刊Outstanding Contribution in Reviewing。
个人主页：https://www.researchgate.net/profile/Songlin-Ran-2
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
(1) Zhao J, Zhang X, Ma Z, et al. Tuning mechanical and electrical performances of B4C–TiB2 ceramics in a two-step spark plasma sintering process. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 518-528. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220874
(2) Zhao J, Wang D, Jin X, et al. Highly electro-conductive B4C–TiB2 composites with three-dimensional interconnected intergranular TiB2 network. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(1): 182-195. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220677
《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
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://wap.sciencenet.cn/blog-3534092-1490882.html?mobile=1
收藏
