原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Li W, Pang H, Zhang Z, et al. Core–shell SiC_w@TiC composite whisker-reinforced Al₂O₃ 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 Al₂O₃ 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Al₂O₃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Al₂O₃基体的断裂韧性。所制备的Al₂O₃-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

Al₂O₃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Al₂O₃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TiB₂、Si₃N₄、SiC、ZrO₂和TiC等，可有效提升Al₂O₃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Al₂O₃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Al₂O₃-SiC_w复合材料的增韧结构始终局限于SiC_w独立分散在Al₂O₃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Al₂O₃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Al₂O₃-SiC_w复合陶瓷的增韧瓶颈。

图1 Al₂O₃-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Al₂O₃陶瓷增韧相的理念。

（2）Al₂O₃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Al₂O₃基体的断裂韧性。

（3）Al₂O₃-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Al₂O₃-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 Al₂O₃-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Al₂O₃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Al₂O₃基体内，SiC_w核与TiC壳层之间以及 TiC壳层与Al₂O₃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Al₂O₃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Al₂O₃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Al₂O₃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 Al₂O₃-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Al₂O₃陶瓷、Al₂O₃-SiC_w复合陶瓷、Al₂O₃- SiC_w@TiC复合陶瓷的力学性能，以及其他文献报道的Al₂O₃-SiC_w复合材料的力学性能。Al₂O₃-SiC_w@TiC复合陶瓷的维氏硬度为21.38±0.93 GPa，与报道的Al₂O₃- SiC_w复合材料的维氏硬度相当。Al₂O₃-SiC_w@TiC复合陶瓷的抗弯强度为 693±49 MPa，略高于Al₂O₃-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，Al₂O₃-SiC_w@TiC断裂韧性为7.15±0.47 MPa·m^1/2，明显优于其他Al₂O₃-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 Al₂O₃-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Al₂O₃-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Al₂O₃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（Al₂O₃/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Al₂O₃-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Al₂O₃-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 Al₂O₃ composite ceramics toughened by B₄C@TiB₂ 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。

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