近日，西北工业大学苏海军教授团队提出微观组织遗传+晶须介导Zener钉扎+分步热压烧结一体化策略，成功制备了SiC晶须(SiCw)增强Al2O3/ZrO2共晶陶瓷复合材料，针对性解决了烧结共晶陶瓷(SECs)本征低断裂韧性的核心痛点，同时突破了烧结过程中致密化与共晶片层粗化难以兼顾的固有瓶颈。团队以激光悬浮区熔定向凝固(LFZM)制备的共晶棒经破碎得到的超细共晶粉体(初始片层间距λ=0.224 μm)为基体，引入5-15 vol% SiCw并实现均匀分散，定量揭示了SiCw对烧结与粗化过程的双向动力学调控机制：烧结表观活化能降低23.4%以促进低温致密化，同时使片层粗化活化能提升31.1%以抑制结构粗化；仅5 vol% SiCw添加量下，共晶片层粗化率就被严控在8.9%，材料相对密度达98.73%，弯曲强度达565 MPa，SENB(单边切口梁法)断裂韧性达7.32 MPa·m1/2，较未增强基体提升61.6%。该研究系统阐释并实验验证了该体系材料性能非单调演变的三大微观结构竞争机制，定量解析了各增韧机制的贡献占比，明确晶须拔出为核心增韧机制(贡献占比超54%)，为大尺寸、高性能共晶陶瓷的可控制备与工程化应用提供了关键理论与技术支撑。

  随着航空航天等高温工业领域的加快速度进行发展，极端服役环境对结构材料提出了严苛要求。传统镍基高温合金受熔点限制，1150 ℃以上力学性能显著衰减，已不足以满足下一代航空发动机的升级需求。Al2O3/ZrO2基氧化物共晶陶瓷凭借优异的高温稳定性与三维互穿共晶结构，成为极具潜力的替代材料。目前定向凝固制备的高性能共晶陶瓷受限于尺寸瓶颈，难以制备大尺寸构件；烧结共晶陶瓷虽破解了尺寸难题，却仍面临本征断裂韧性不足、烧结致密化与共晶片层粗化难以兼顾的行业共性瓶颈，且现有研究对该体系的烧结动力学调控、微观组织与性能的构效关系缺乏系统定量认知。为此，本研究以SiCw为增强体，以激光悬浮区熔制备的超细Al2O3/ZrO2共晶粉体为基体，通过分步热压烧结制备复合材料，系统揭示SiCw对体系组织演变与强韧化机制的调控规律，为大尺寸高性能共晶陶瓷的可控制备与工程化应用提供理论与技术支撑。

  本研究提出超细共晶组织遗传+SiCw Zener钉扎调控+分步热压烧结协同策略，突破了烧结共晶陶瓷致密化与结构粗化难以兼顾的核心瓶颈，在1550 ℃下实现98.73%近全致密化的同时，将共晶片层粗化率严控在8.9%以内；定量揭示了SiCw双向动力学调控机制，5 vol% SiCw可使烧结表观活化能降低23.4%、片层粗化活化能提升31.1%，同步细化Al2O3基体晶粒16.5%。该添加量下材料SENB断裂韧性较未增强基体提升61.6%，达7.32 MPa·m1/2，兼具564.65 MPa弯曲强度与18.65 GPa维氏硬度，综合性能居同体系领先水平。同时阐明了材料性能非单调演变的三大微观结构竞争机制，明确晶须拔出为核心增韧机制(贡献占比54.6%)，为该类材料的结构设计与性能优化提供了关键理论支撑。

  本研究构建了目标材料全流程可控制备工艺，如图1所示，核心流程为配料成型制备前驱体、LFZM定向凝固获超细共晶棒材、破碎分级制得保留原生共晶结构的粉体、MEA辅助工艺实现SiCw均匀分散、分步热压烧结实现致密化与组织稳定协同调控，最终制得大尺寸高性能陶瓷块体。其中多级湿筛工艺最大限度保留了粉体超细共晶结构，MEA分散体系有效抑制SiCw团聚，为后续性能调控奠定了基础。

  图1 SiCw增强Al2O3/ZrO2复合材料的制备工艺流程示意图：(a)前驱体制备；(b)激光悬浮区熔法(LFZM)定向凝固工艺；(c-d)共晶陶瓷粉体的制备；(e-f)SiCw的分散与混合粉体的制备；(g)热压烧结工艺

  图2揭示了共晶片层间距与定向凝固抽拉速率的内在关联，证实10-200 μm/s范围内，片层间距与抽拉速率的平方根呈严格线性关系，符合经典Jackson-Hunt模型()；200 μm/s抽拉速率下可将共晶片层间距细化至0.224μm，同时保证试样无宏观缺陷，为后续研究锁定了最优超细共晶粉体原料。

  图2 Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的共晶片层间距、微观组织形貌及其与凝固速率的关联规律：(a)线性拟合结果；(b)共晶片层间距随抽拉速率的变化规律；(c)不同抽拉速率下Al2O3/ZrO2定向凝固共晶陶瓷的形貌特征

  图3直观展现了破碎分级筛分后共晶粉体的微观形貌，证实粉体横截面与纵截面均完整保留了定向凝固态的三维互穿超细共晶结构，无明显组织破坏，实现了优异的微观组织遗传，为烧结后块体材料保留超细共晶结构、实现高性能奠定了核心结构基础。

  图3 共晶粉体颗粒横截面与纵截面中保留的共晶微观组织：(a)单颗共晶粉体颗粒的整体形貌；(b)单颗共晶粉体颗粒的横截面；(c)单颗共晶粉体颗粒的纵截面；(d)单颗共晶粉体颗粒内部保留的共晶微观组织；(e-f)共晶粉体颗粒横截面与纵截面中保留的共晶微观组织

  图4基于烧结原位实时数据划分了致密化的四个特征阶段，同时定量对比了未增强基体与5 vol% SiCw试样的烧结表观活化能(表1)。结果显示，5 vol% SiCw可将体系烧结活化能降低23.4%，证实其能大大降低原子扩散能垒，强化晶界扩散机制，实现低温致密化。

  图4 5 vol% SiCw增强Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的烧结致密化行为与作用机理：(a)烧结位移曲线 ℃烧结过程晶粉体的致密化机理模型，分别对应28 ℃-800 ℃(b1)、800 ℃-1546 ℃(b2)及1546 ℃以上(b3)三个阶段

  图5直观呈现了5 vol%、10 vol%、15 vol% SiCw增强试样的烧结微观形貌与EDS元素分布特征，清晰揭示了SiCw在共晶基体中的分布规律：5 vol% SiCw均匀分散于共晶颗粒边界，无明显团聚，可充分的发挥晶界钉扎作用；10 vol% SiCw出现局部团聚，易形成应力集中源；15 vol% SiCw则形成三维互连网络结构。结合定量数据验证，初始定向凝固态共晶片层间距仅0.224 μm，未增强基体烧结后片层间距增至0.236 μm(粗化率5.4%)，而5 vol% SiCw试样烧结后片层间距仅0.244 μm，较初始态粗化率仅为8.9%，远低于传统烧结20%-40%的粗化水平。即使SiCw含量升至15 vol%，片层间距仍仅0.255 μm；同时5 vol% SiCw可将Al2O3基体晶粒尺寸细化16.5%，为SiCw的Zener晶界钉扎效应、以及对共晶片层粗化的显著抑制作用提供了直观形貌证据与定量数据支撑。

  图6展示了材料致密度、维氏硬度、弯曲强度与断裂韧性随SiCw含量的变化规律，所有性能均呈现先升高、后降低、再小幅回升的非单调演变趋势，性能峰值均出现在5 vol% SiCw添加量。该配比下试样相对密度达98.73%，断裂韧性较未增强基体提升61.6%，综合性能远超同体系已报道的未增强烧结共晶陶瓷。

  图7系统阐释了决定材料性能非单调演变的三大微观结构竞争机制，清晰划分了分散主导、团聚缺陷、网络形成三个特征区间，同时定量解析了各增韧机制的贡献占比。结果证实，5 vol% SiCw的分散主导区可充分激活增韧机制，其中晶须拔出为核心增韧机制，贡献占比达54.6%，为材料结构设计与性能优化提供了核心理论支撑。

  图7 SiCw增强Al2O3/ZrO2共晶复合材料三大微观结构特征区及其对应增韧机制示意图

  图8通过断口微观形貌表征，为体系增韧机制与三大微观结构竞争机制提供了直接实验佐证。5 vol% SiCw试样断口呈典型韧性断裂特征，晶须拔出、桥接结构清晰可见，与晶须拔出为核心增韧机制(贡献占比54.6%)的定量结论完全吻合，直观印证其可充分激活增韧效应，实现断裂韧性61.6%的大幅度的提高；10 vol% SiCw试样因晶须团聚出现局部脆性断裂区，增韧效应弱化，性能显著衰减；15 vol% SiCw试样可见晶须三维网络形成的长程桥接结构，增韧机制重新激活，与性能小幅回升的规律形成呼应。

  本研究基于微观组织遗传+晶须介导粗化抑制+分步热压烧结一体化策略，以LFZM定向凝固制备的共晶棒经破碎得到的超细共晶粉体为原料，通过配套分散与分步热压烧结工艺，在1550 ℃下实现98.73%近全致密化的同时将共晶片层粗化率控制在8.9%以内，破解了烧结共晶陶瓷致密化与结构粗化的固有核心矛盾；研究证实SiCw具有双向动力学调控作用，可使烧结表观活化能降低23.4%以促进低温致密化，同时使片层粗化活化能提升31.1%以抑制晶粒粗化，5 vol% SiCw试样断裂韧性达7.32 MPa·m1/2，较未增强基体提升61.6%，兼具优异的硬度与弯曲强度，综合性能居同体系领先水平；同时阐明了材料性能随SiCw含量非单调演变的三大微观结构竞争机制，明确晶须拔出为核心增韧机制(贡献占比超54%)。本研究为大尺寸高性能共晶陶瓷复合材料的可控制备提供了可靠路径，为航空航天极端环境用高温结构材料开发提供了全新思路，推动其工程化应用进程。

  苏海军，西北工业大学长聘二级教授、博士生导师。国家级领军人才，国家优青，中国有色金属创新争先计划获得者。入选国家首批“香江学者”计划、陕西省“青年科技新星”、陕西省冶金青年科技标兵、陕西省金属学会优秀科技工作人员，担任陕西高校青年创新团队学术带头人、陕西重点科学技术创新团队带头人和先进高温合金陕西省高校重点实验室主任。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、高熵合金、超高温复合陶瓷、生物陶瓷、钙钛矿太阳能电池、结构功能一体化复合材料以及定向凝固与增材制造技术等。主持包括国家重点研发计划项目，国家自然基金重点、优青等7项国家基金在内的30余项国家级重要科研项目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters等知名期刊发表论文200余篇。获授权中国发明专利60余项以及3项美国发明专利，参编专著3部。获陕西省科学技术一等奖、二等奖，中国交通运输协会科学技术二等奖，宁波市科学技术进步一等奖，陕西高校科学技术探讨研究优秀成果特等奖，陕西省冶金科学技术一等奖，全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖各1项。