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哈尔滨理工大学魏博鑫/哈尔滨工业大学王玉金等：通过两步反应烧结原位构筑多尺度微结构，实现ZrC基陶瓷的强韧协同提升精选

已有 1918 次阅读 2026-3-2 11:09 |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:

Wei B, Zhuang Z, Yang Y, et al. Achieving superior strength-toughness synergy in ZrC-based ceramics: an in-situ multiscale construction strategy via two-step reactive SPS process. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221263

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221263

ResearchGate：Achieving superior strength-toughness synergy in ZrC-based ceramics: an in-situ multiscale construction strategy via two-step reactive SPS process

基金支持：

国家自然科学基金：52002098，52002003；黑龙江省自然科学基金：LH2023E080。

一、导读

ZrC陶瓷具有极高熔点与良好的核能应用潜力，但其强共价键导致烧结困难，且本征脆性严重制约其极端环境下的服役可靠性。针对这一难题，本研究提出了一种多尺度微结构设计策略，通过两步放电等离子烧结工艺，利用TiSi₂与B₄C的原位反应生成(Ti,Zr)B₂、SiC及ZrSi₂等多相增强体。所制备的ZTS-30B陶瓷实现了晶粒细化（<500 nm）与致密化（>99%），抗弯强度达824 MPa，断裂韧性提升至7.5 MPa·m^1/2。该技术为航空航天及第四代核能系统用高性能超高温陶瓷提供了可行的制备路径。

二、研究背景

ZrC陶瓷因其极高的熔点、良好的热稳定性及抗辐照性能，在下一代航空航天推进系统与先进核能系统中极具应用前景。然而，其强共价键导致的本征脆性与极差的烧结性，严重制约了其实际工程应用。传统的单一相引入（如TiC、SiC、TiB₂）或直接混合增强相策略，虽能在某一方面（强度或韧性）带来有限提升，但往往以牺牲另一性能或仍需极高烧结温度为代价，难以实现强度与韧性的协同突破。

三、文章亮点

（1）两步法原位反应SPS工艺设计：提出采用 TiSi₂与B₄C作为“反应性烧结助剂与增强相前驱体” ，并设计了 “1600°C (反应主导) + 1800°C (扩散主导)”的两步SPS工艺。

（2）创新的“多尺度原位构筑”微结构：通过上述可控的原位反应，从原子尺度到微米尺度构筑了丰富的增强/增韧相：(Zr,Ti)C/(Ti,Zr)B₂固溶体、纳米级的初生/次生SiC颗粒（强化相）、微米级SiC-TiB₂团聚体（增韧相）。

（3）实现了强度与韧性的协同提升：抗弯强度高达824 MPa，断裂韧性达到7.5 MPa·m^1/2。这一综合性能显著优于目前已报道的大多数ZrC基陶瓷，成功克服了陶瓷材料强度与韧性难以兼得的难题。

四、研究结果及结论

图1通过FactSage计算ZrC-TiSi₂-B₄C体系在1000–1800 °C的相图，表明在1600 °C和1800 °C下均形成(Zr,Ti)C、(Ti,Zr)B₂、SiC及(Zr,Ti)Si₂液相。液相促进了Zr/Ti互扩散，有利于固溶体形成，为后续 microstructure 设计提供了理论依据。

图1 ZrC-TiSi₂-B₄C体系在1000–1800 ℃的计算相图

致密化曲线（图2）显示在1600 °C附近出现致密化速率峰值，归因于TiSi₂与B₄C的原位反应及液相形成。1800 °C保温阶段致密化速率较低，说明反应基本完成，后续致密化由扩散主导。两步法相比一步法更有效地抑制晶粒长大，提高了致密度。

图2 ZrC-TiSi₂-B₄C体系的致密化曲线及致密度

STEM-HAADF图像和EDS面分布（图3）显示，ZTS-30B中形成了(Zr,Ti)C、(Ti,Zr)B₂、SiC和(Zr,Ti)Si₂四种相。SiC分为“伴随型”和“晶界钉扎型”两种，分别源于TiSi₂-B₄C反应和ZrC-Si反应，结构设计实现了多尺度增强。

图3 ZTS-30B的微结构及强韧相形成示意图

断口形貌和裂纹扩展路径（图4）显示，ZTS-30B中裂纹主要沿(Ti,Zr)B₂与基体界面扩展，发生偏转和桥接，SiC-TiB₂团聚体显著延长裂纹路径。多种机制协同作用提升了材料的断裂韧性。

图4 不同样品的断口形貌BSE和SE图像：(a)(d) ZTS-10B，(b)(e) ZTS-20B，(c)(f) ZTS-30B；(g)(h) ZTS-30B样品中裂纹扩展的BSE图像及(i)相应的示意图

对比文献数据（图5），ZTS-30B陶瓷的弯曲强度（824 MPa）和断裂韧性（7.5 MPa·m^1/2）显著优于大多数ZrC基陶瓷。性能提升归因于多尺度结构设计：原子尺度固溶强化、纳米SiC钉扎、亚微米TiB₂-SiC团聚体增韧协同作用。

图5 本工作与文献报道的其他ZrC基陶瓷的弯曲强度和断裂韧性对比研究

五、作者及研究团队简介

魏博鑫（第一作者/通讯作者），男，哈尔滨理工大学副教授、博士生导师。黑龙江省轻金属材料改性与绿色成形技术重点实验室副主任，入选“黑龙江省高层次人才”，材料成型及控制工程系支部书记、副主任。主要从事难熔金属碳化物陶瓷的组织调控及核用性能等研究。主持及参与国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金项目等6项；在J Adv Ceram、J Mater Sci Technol、J Eur Ceram Soc、Ceram Int、J Alloy Compd 等国际知高水平期刊发表SCI论文50余篇，授权国内外发明专利6项。担任《Ceramics》、《粉末冶金材料科学与工程》等多个期刊青年编委。

作者邮箱：weiboxin@hrbust.edu.cn

王玉金（通讯作者），男，哈尔滨工业大学教授、博士生导师。材料结构精密焊接与连接全国重点实验室副主任，入选教育部新世纪人才。主要从事钨基复合材料、超高温陶瓷、高熵陶瓷、先进核能材料等方面的基础和应用研究。主持国家自然科学基金、国家部委等项目20余项。获省部级科技奖励一、二、三等奖共4项，获省级教学成果一、二等奖各1项，授权国家发明专利22项，参编专著3部，发表学术论文190余篇， SCI他引3600余次。

作者邮箱：wangyuj@hit.edu.cn

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

1）Kong Q, Zhang R, Chen L, et al. Phase transition of multi-component (TiZrVNb)C ceramics—Part I: Phase decomposition induced by carbon content. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(5): 679-688. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220888

2）Kong Q, Chen L, Huo S, et al. Phase transition of multi-component (TiZrVNb)C ceramics—Part II: From single phase to multiple phases via adjusting V content. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(5): 689-698. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220889

3) CHEN L, ZHANG W, LU W, et al. Low thermal conductivity of dense (TiZrHfVNbTa)C_x high-entropy carbides by tailoring carbon stoichiometry. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(1): 49-58. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220665

《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。