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原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Liu L, Jia X, Zhao L, et al. Overcoming the trade-off between electrical conductivity and densification in Al2O3–TiC Ceramics via particle size grading. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221390
文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221390.
基金支持：国家自然科学基金（52472061，52072003）；安徽省高校科研计划自然科学研究重大项目（2024AH040031）
一、导读
由绝缘基体与导电颗粒组成的导电复相陶瓷存在电导率与致密化难以兼顾的矛盾：增大绝缘基体与导电相之间的相域尺寸比，理论上能够提高电导率，但在实际制备过程中会阻碍坯体致密化，所产生的孔隙将劣化材料的力学与电学性能。针对这一技术瓶颈，本文以Al2O3–TiC体系为研究对象，提出微米/纳米Al2O3粒径级配调控策略。适量纳米Al2O3颗粒的加入一方面可填充颗粒间隙，促进坯体致密化；另一方面能够钉扎晶界、限制导电TiC晶粒长大，使导电相保持细小并沿基体相界分布，在提升致密度的同时有效增大绝缘基体与导电相之间的相域尺寸比。当纳米Al2O3添加量为10 vol%时，复合材料相对密度可达99.02%，电导率为4.02×104 S/m，渗流阈值由15.54 vol% 降至10.20 vol%；其电火花加工（EDM）材料去除率（MRR）可达9.50 mm2/min，加工表面粗糙度低至6.35 μm，为高致密、高导电陶瓷的高效精密加工提供了新途径。
二、研究背景
由绝缘基体与分散导电相组成的导电复相陶瓷，是结构–功能一体化陶瓷的重要研究方向之一。此类材料既保留传统结构陶瓷高强度、高硬度等优点，又具备导电性，可借助EDM技术实现高效加工，并可用于电极、电解池、点火装置、高温加热器及电磁屏蔽等极端环境。
然而，导电复相陶瓷面临电导率与致密化难以兼顾的矛盾。力学性能与电学性能均受微观结构控制：细小基体晶粒通常有利于提高强度、硬度和断裂韧性，因此常采用超细或纳米原料；但从导电角度看，在相同导电相含量下，增大绝缘基体相与导电相之间的相域尺寸比更有利于导电颗粒沿基体相界偏析，构建连续导电网络并降低电阻率，这通常要求使用较粗的基体粉末。然而，粗大基体颗粒严重阻碍烧结致密化；残余孔隙不仅劣化力学性能，还作为绝缘屏障稀释导电相，抵消粗基体对电导率的改善。反之，纳米/超细粉虽促进致密化，却缩小基体与导电相的尺寸差异，不利于导电网络形成。现有研究多通过调整导电相含量或烧结工艺来缓解这一矛盾，但难以同时实现高致密化与低电阻率。
基于此，本研究以Al2O3–TiC体系为模型，提出微米/纳米Al2O3双峰粒径级配策略：在微米Al2O3骨架中引入高活性纳米Al2O3。烧结过程中，部分纳米Al2O3填充颗粒间隙促进致密化，并被微米Al2O3吸收使其长大；部分纳米Al2O3钉扎TiC晶界、限制TiC晶粒长大，使导电相围绕粗微米Al2O3相连续分布，从而增大绝缘基体与导电相之间的相域尺寸比，形成连续三维TiC导电网络。该策略协同提升Al2O3–TiC陶瓷的致密化、电导率及EDM加工性能，为高性能可加工导电陶瓷设计提供新途径。
三、文章亮点
l 提出微米/纳米Al2O3双峰粒径级配策略，在提升致密化的同时增大了绝缘基体与导电相之间的相域尺寸比，有效调和了导电陶瓷中“高电导率”与“高致密化”之间的矛盾。
l 采用GEM方程对导电行为进行拟合，揭示了临界指数与显微结构之间的关联，并结合相域尺寸比与渗流阈值的关系，阐明了导电网络形成及阈值降低的机理。
l 在最优级配下，系统验证了致密化、电导率、力学性能与EDM加工性能的协同提升，展示了该策略在可加工导电陶瓷中的应用潜力。
四、研究结果及结论
(1) 致密化：在SPS烧结过程中，随纳米Al2O3添加量由0增至10 vol%，相对密度由97.21%提升至99.02%，但增至15 vol%时回落至97.90%。这表明适量纳米Al2O3可填充颗粒间隙、促进致密化，过量则因团聚及颗粒间摩擦加剧而阻碍致密化。
图1 纳米Al2O3含量对Al2O3–TiC复相陶瓷相对密度的影响
(2) 电导率：当纳米Al2O3添加量由0增至10 vol%时，电导率由2.95×104 S/m提升至4.02×104 S/m，而15 vol%时降至3.27×104 S/m。同时，GEM方程拟合所得有效渗流阈值由15.54 vol%降至10.20 vol%，15 vol%时回升至14.10 vol%。临界指数t = 0.8偏离经典三维渗流值，这归因于TiC沿Al2O3相界偏聚，形成连续导电网络，而非随机分散。
图3 (a) 电导率测试值与计算得到的有效阈值；(b) 相域尺寸比（D/d）随纳米Al2O3含量的变化关系。
(3) 显微结构与导电网络：纳米Al2O3添加量为0 vol%时，两相相域尺寸差小、孔隙阻断，导电通路碎片化，阈值较高。10 vol%时基体粗化、TiC细化，D/d增大，TiC沿Al2O3相界形成连续三维网络，阈值最低、电导率最高。15 vol%时纳米Al2O3团聚形成绝缘岛并引入残余孔，网络连通性变差，电导率回落。这表明电导率主要取决于TiC导电网络的连续性与连通性。
图4 复相陶瓷的显微结构及相域尺寸分布：(a, d, g, j) 分别为0、5、10和15 vol%纳米Al2O3添加量下的显微结构；(b, e, h, k) 和 (c, f, i, l) 分别为对应Al2O3和TiC的相域尺寸分布。
图5 不同纳米Al2O3添加量下复相陶瓷中导电网络的演化示意图：(a) 0 vol%，(b) 10 vol%，(c) 15 vol%。
(4) EDM加工：EDM加工后，样品的表面形貌随纳米Al2O3含量呈现先改善后恶化的趋势。0和5 vol%样品表面重铸碎屑、弧坑和微裂纹多，粗糙度高，截面热损伤严重。10 vol%样品表面光滑平整，粗糙度由18.88降至6.35 μm， MRR由8.78提升至9.50 mm2/min，截面平直均匀，热震损伤受抑制。15 vol%时因纳米Al2O3团聚，致密化程度和导电网络连续性下降，表面再度变粗糙。研究表明，连续导电网络可稳定放电通道，高致密度与良好力学性能可抑制热震开裂，使样品获得最佳加工质量。
图6 (a) MRR；(b, c) 0与10 vol%复相陶瓷的三维表面形貌；(d–g) 0、5、10及15 vol%复相陶瓷的SEM表面形貌；(i) 0 vol%复相陶瓷的横截面形貌；(h, j) (i)图的局部放大图；(k) 10 vol%复相陶瓷的横截面形貌。
五、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，入选安徽省人才计划。2008年7月博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，2008年8月至2010年8月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功能一体化复相陶瓷、陶瓷连接及固废资源材料化利用等。主持各类科研项目20余项，其中含国家自然科学基金项目4项；以第一作者或通讯作者发表SCI论文80余篇；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、以及《陶瓷学报》、《稀有金属》等期刊青年编委。
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
[1] 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, 14(7): 9221112. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221112
[2] 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
[3] 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，清华大学出版社有限公司出版，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、WJCI等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的SCI影响因子为14，连续6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；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26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；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。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有限公司自主研发、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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