西北工业大学研究团队利用激光悬浮区熔定向凝固技术，成功制备出微纳结构Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷，实现了强度与尺寸的和谐统一。 近日，科研人员在高性能陶瓷材料领域取得新进展，成功实现了强度与尺寸的完美平衡。这一突破性成果，不仅为陶瓷材料的应用开辟了新领域，也为相关领域的理论研究提供了有力支持。

► 研究背景

陶瓷材料以其高熔点和低断裂韧性而闻名，但传统烧结技术制备的块体陶瓷中存在的晶界、气孔等缺陷，严重影响了其强度极限。1997年，通过定向凝固技术制备共晶陶瓷取得了重大突破，该技术使得两个耦合的单晶相能够形成互穿网络单晶结构，并通过原子级干净的相界面结合在一起，从而消除了晶界和非晶相。 此外，通过精确控制凝固气氛，成功避免了气孔的产生，使得材料在接近熔点的高温下仍能保持超高强度和优异稳定性。

然而，尽管DSEC材料在小尺寸试样中展现出了卓越的强度和稳定性，但随着试样尺寸的增大，散热效率降低和凝固温度梯度的减小成为了不可避免的问题。这不仅限制了可达到的凝固速率，导致微观组织粗化，还会引发成分过冷现象，形成胞状生长界面。这种界面破坏了单晶相的连续性，进而导致共晶团簇和大尺寸缺陷的产生，最终使得材料强度随尺寸增大而显著降低。

这种强度与尺寸的负相关关系，尤其是大尺寸DSEC结构件强度的不足，严重制约了其作为高温承力部件的工程化应用。因此，如何在高凝固速率下实现大尺寸DSEC中准单晶相的稳定生长，同时协同控制组织均匀性与单晶连续性，成为了该领域亟待解决的关键挑战。

► 研究亮点

采用激光悬浮区熔法（LFZM），我们以100 μm/s的高抽拉速率成功制备了Al2O3/YAG/ZrO2三元共晶陶瓷。这一创新技术不仅实现了强度与尺寸的平衡，更突破了传统制备方法的限制。尽管生长界面并非完全平面，但Al2O3和YAG相仍展现出准单晶的结构特性。 最终，直径为3.5 mm的棒状试样以99.96%的高相对密度和280 nm的结构尺度，成功达到了2.5 GPa的超高弯曲强度。这一研究成果充分展现了高速定向凝固技术在制备高性能复合陶瓷方面的巨大潜力。

► 图文解析

使用立体光刻3D打印和悬浮熔区技术，本研究确保了平稳凝固和均匀微观结构。首先，通过立体光刻(SLA)3D打印技术，成功制备了用于后续定向凝固的预制体，实现了多试样的高效同步成型。随后，经过脱脂去除光敏树脂，并经烧结获得具有足够机械强度的素坯。

在这项研究中，我们通过缓慢的升温速率结合埋粉烧结法，确保了温度场的均匀性并防止了弯曲变形，从而制得了平直的烧结预制体。使用LFZM设备在实现稳定凝固方面发挥了关键作用：其悬浮熔区无需坩埚支撑，从而消除了坩埚材料或杂质对凝固过程的影响。

在100μm/s的抽拉速率下，我们观察到了熔区的典型温度场图像，尽管试样直径达到3.5mm，但在凝固界面仍观测到了超高的温度梯度。

这些因素共同确保了Al2O3/YAG/ZrO2体系的高度稳定定向凝固过程，最终获得了具有优异均细微观结构和卓越性能的棒状试样。

► 结论展望

研究揭示了定向凝固和缺陷控制对陶瓷强度与尺寸的重要影响，为未来高性能陶瓷应用和研究开辟了新路径。 试样的高致密度有效消除了大型孔隙缺陷；通过高抽拉速度获得的均匀细化微观结构进一步限制了微裂纹缺陷尺寸。在优化后的工艺条件下，材料展现出均匀细化的共晶组织，尺寸为280±23 nm。最终，定向凝固共晶陶瓷(DSEC)在强度(2.5±0.13 GPa)与尺寸(3.5 mm)之间取得了卓越的平衡。

► 课题组简介

苏海军教授作为西北工业大学的长聘二级教授和博士生导师，在科研领域取得了显著成就。他不仅荣获了国家级领军人才、国家优秀青年科学基金等多项殊荣，还担任了多个重要职务。苏教授长期致力于先进定向凝固技术与理论及新材料的研究，涵盖高温合金、超高温复合陶瓷等多个领域。