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

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Fan X, Yao Q, Ni N, et al. High-strength anisotropic ZrC/YSZ composite foams achieved by in-situ carbothermal reduction of ice-templated YSZ foams. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221247

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221247

ResearchGate： High-strength anisotropic ZrC/YSZ composite foams achieved by in-situ carbothermal reduction of ice-templated YSZ foams

1、导读

在高孔隙率的碳化锆（ZrC）陶瓷中实现高强度一直面临巨大挑战。本研究提出了一种新的原位合成策略：利用冰模板法制备的3 mol% 钇稳定氧化锆（YSZ）泡沫作为反应模板，经碳热还原制备各向异性的ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷。当其孔隙率约70.9%时，室温下平均轴向压缩强度高达 61.5 MPa。研究首次发现ZrC不仅在致密的YSZ骨架表面生长，而且还在其内部成核生长。该现象与YSZ骨架中 Y³⁺的重新分布和 t ® c 的相变密切相关。该相变是决定复合泡沫陶瓷力学性能的关键因素。

2、研究背景

碳化锆（ZrC）作为超高温陶瓷（UHTCs）的重要成员，具有高熔点（~3500°C）、低密度和高热导率等优异特性，是高超声速飞行器热端部件的理想材料。然而，传统的造孔方法（如部分烧结、牺牲模板法等）制备的多孔ZrC陶瓷往往强度较低（通常低于6 MPa，当孔隙率达70%时），且骨架结构不够致密。为了克服这些限制，本研究探索利用具有优异力学性能的YSZ作为模板，通过原位反应构建高性能多孔ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷。

 3、文章亮点

1）创新工艺： 结合冰模板法与原位碳热还原法，构建了具有定向排布通道的各向异性结构。

2）超高强度： 在~70.9%的高孔隙率下，轴向压缩强度达到61.5 MPa，显著优于现有文献报道的同类材料。

3）独特现象： 观察到ZrC颗粒不仅在表面生长，更在YSZ骨架内部成核。这与及YSZ的转变密切相关 。

4）性能杠杆： 阐明了碳热还原过程中YSZ基体中Y³⁺离子的重新分布及随之发生四方相（t）到立方相（c）的相变是调控力学性能的关键因素，其影响在某些情况下甚至超过了几何结构因素。

4、研究结果及结论

论文以冰模板法制得15 vol %和20 vol% 3YSZ泡沫为反应模板，以酚醛树脂裂解得到的热解炭为碳源，研究1500℃~1850℃温度区间内的原位碳热还原反应过程，结果表明：

（1）    ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷复制了3YSZ模板的显微结构，呈现出典型的层状结构。随着反应温度升高，ZrC含量增加。YSZ骨架表面和内部生成的ZrC纳米颗粒与基体结合紧密，如图1所示。

（2）    TEM表征分析证实了在ZrC_xO_y新晶粒附近Y元素发生偏析；YSZ晶粒内部出现孪晶和反相畴界等；ZrC_xO_y晶粒表面存在一层非晶碳，如图2所示。

（3）    ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷具有显著的各向异性，轴向压缩强度（14.1 ~ 61.5 MPa）显著高于径向压缩强度（2.0 ~ 8.9 MPa），如图3所示。

（4）    轴向压缩强度与相对密度、显微结构、物相组成分析（图4）表明，ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷的力学性能与单相多孔陶瓷泡沫（如3YSZ模板）不同，不符合Gibson-Ashby关系（强度随着壁厚/层间距比值的增加而提高）。复合泡沫中的t-ZrO₂和c-ZrO₂的含量对力学性能的贡献超过了几何结构的影响。

（5）    综合SEM、Raman和TEM结果，揭示了ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷中ZrC在致密YSZ骨架形成机理，如图5所示。

研究结论：首次观察到 ZrC 晶粒在 YSZ 晶粒附近成核并生长，揭示其原位生长机理。尽管t®c相变降低了ZrC/YSZ 复合泡沫的强度，但 YSZ 骨架仍能提供极佳的支撑作用。在孔隙率为 70.9% - 77.8% 的范围内，复合泡沫的轴向压缩强度为 20.5 ~ 61.5 MPa。高强度 ZrC/YSZ 复合泡沫的制备温度不应超过 1600°C。

图1 3YSZ泡沫陶瓷模板和ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷骨架横截面的背散射电子衍射图和孔隙率统计图

图2 20vol%-1500℃ ZrC/YSZ复合泡沫陶瓷的TEM图

图3 3YSZ和ZrC/YSZ泡沫陶瓷的应力-应变曲线和轴向、径向压缩强度统计柱状图

图4 泡沫陶瓷轴向压缩强度与相对密度、壁厚/层间距以及物相之间的关系

图5 在3YSZ骨架上原位生成ZrC_xO_y的机理图

5、作者及研究团队简介

范晓慧博士（第一作者/通讯作者），上海交通大学材料科学与工程学院助理研究员，硕士研究生导师。目前主要从事多孔陶瓷、陶瓷纤维和陶瓷基复合材料的成分、结构设计以及二维纳米材料与陶瓷界面间强韧化机理研究。主要的研究方向有多孔超高温陶瓷复合材料、聚合物/陶瓷纤维、吸音降噪硅基复合涂层等。主持国家自然科学基金青年项目、国防重点实验室基金以及政府与企业横向课题等10余项。在Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology、Journal of the European Ceramic Society、Journal of the American Ceramic Society、Materials Characterization等国际主流期刊发表论文29篇，其中第一作者/通讯作者10篇；申请发明专利16项，授权发明专利12项。

个人主页：https://smse.sjtu.edu.cn/people/detail_new/20361

作者邮箱：xhfan@sjtu.edu.cn

上海交通大学高温热防护团队简介：

团队主要研究面向航空、航天等极端条件下应用的高温材料及热防护涂层材料，由国家级、省部级人才计划等30余人的中青年科研人员组成，承担了国家级和省部级科技项目40余项，在国际主流期刊发表论文250+篇，多次获得国家级和省部级创新成果奖等；研究成果在我国第一代固液运载火箭、航空发动机和地面燃气轮机等工程应用。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Wu S, Yan W, Ni N, et al. Densification of ceria-based barrier layer for solid oxide cells at lower sintering temperatures: A review. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(1): 9221001. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221001

2）Feng X, Guo F, Luo L, et al. Engineering design of feedstock powder and relevant thermal–mechanical performance of thermal/environmental barrier coatings. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(2): 9221033. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221033

《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。

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