强磁场织构化高强韧、抗辐照纳米层状类贝壳仿生结构陶瓷

The configuration of nanolaminar bionic microstructure is one effective way to enhance the mechanical properties and modify the physical properties of ceramics. Focusing on solving the intrinsic brittleness of traditional ceramics, present project innovatively introduces the strong magnetic field alignment (SMFA) method to align hexagonal nanolayered MAX phases'' grains directionally. At the grain scale level, the microstructure of MAX phases ceramic can be controllablely tailored. The mechanism is ascribed to the anisotropic susceptibility of unit cell of MAX phases. In the strong magnetic field, the ceramic grains in the stable suspension will rotate under the weak torque in order to minimize the system energy. That is, all of the c-axes of grains tend to become parallel to the direction of magnetic field. Finally, the highly textured green bodies can be successfully fabricated with the c-axes of grains perpendicular to the horizontal. Through spark plasma sintering (SPS), dense tailored ceramic can be obtained. During sintering, the grains prefer to grow along a- (b-) axes to form the hexagonal plate-like shape. Therefore, the laminar shell-like nappe with the c-axes of grains perpendicular to the horizontal can be constructed. This kind of microstructure possesses the special characteristic of nanolaminar alignment ranged from nano-scale to milli-scale. The as-prepared textured ceramic shows the anisotropic physical and mechanical properties. Especially, the flexural strength and fracture toughness can be greatly enhanced. Present investigation will deeply explain the reinforcing-toughening mechanisms. Additionally, the irradiation resistance of texture ceramic will be examined by using the high energy helium ions along different tailored directions. The nuclearation and generation of helium bubbles will be investigated and the physical model of irradiation damage evolvement will be determined.

纳米层状仿生结构设计是有效提高陶瓷力学性能和调节物理性能的可靠途径。针对传统陶瓷脆性较大的难题，本项目创新性地采用强磁场技术对具有纳米层状结构的六方MAX相陶瓷晶粒进行定向排列设计，从晶粒尺度上对陶瓷结构进行可控精修。其原理依赖于晶粒各向异性的磁感应系数。在强磁场诱导的弱力扭矩下，陶瓷晶粒悬浮于稳定浆料中可发生转动，最终可制备出所有晶粒的c轴均垂直向上的高度织构化陶瓷坯体。经后继电火花离子高温烧结致密化，织构化陶瓷晶粒沿a（b）轴方向择优生长成六方板状形态，构造出c轴统一垂直向上的层状类贝壳叠层结构。该结构具有从纳米尺度到毫米尺度的层片排列特征。织构化陶瓷具有各向异性的物理和力学性能，尤其能极大地提高弯曲强度和断裂韧性，研究将探究其独特的强韧化机制。同时，采用高能氦离子辐照技术研究陶瓷在不同织构化方向上的抗辐照损伤阻力，将系统探索氦泡在纳米层间的形核与长大，建立辐照损伤演化物理模型。

针对第四代核电站对研发新型结构材料的需求，设计出的材料需满足在辐照条件下具有优秀的物理和力学性能。对新材料进行显微结构设计而赋予其更为出色的性能是一个有效的途径。本项目设计出类贝壳层状结构的纳米材料，可以有效提高陶瓷的力学性能和调节物理性能。本项目主要研究利用强磁场定向技术结合注浆成型工艺制备高性能陶瓷材料坯体，在晶粒尺度上对陶瓷进行微结构调控。其原理存在于六方MAX相陶瓷晶粒具有各向异性的磁感应系数，在悬浮液中可以转动。所制备的陶瓷坯体中晶粒的c轴具有统一取向，经后继电火花离子烧结致密化，晶粒发生重结晶长大，沿a（b）轴方向择优生长，形成板状晶叠加的类贝壳层状结构陶瓷。经系统研究所设计陶瓷的物理和力学性能，发现由于结构的各向异性，其性能也表现出各向异性特征。本项目以Ti3AlC2作为研究对象，实验结果表明在平行于c轴方向上的电导率最高，为1.01×106 Ω-1·m-1；在垂直于c轴方向的热导率最高，为25.26 W·(m·K)-1。尤其突出的是其平行于c轴的方向上弯曲强度高达1261 MPa，垂直于c轴的方向上断裂韧性高达14.6 MPa·m1/2。另外，通过测试不同织构表面的摩擦磨损性能，发现在1-9 N的载荷下织构化的上表面(000l)面具有最低的摩擦系数0.18-0.23；而在织构化侧表面垂直于c轴方向上表现出最佳的抗磨损性能，在最高载荷9 N下磨损率仅为1.51×10-3 mm3/N·m。在织构化上表面的磨损机制为晶粒分层、晶粒断裂和晶粒剥离，与织构化侧表面平行于c轴方向上相同；而在织构化侧表面垂直于c轴方向上的磨损机理仅为犁沟效应。此外，研究还详细表征了织构化陶瓷在1273-1573 K的高温氧化行为，发现在织构化侧表面上易于形成致密的氧化铝保护层，可在低于1473 K时有效保护样品。其机制存在于铝原子易于沿(000l) 面迁移，与氧接触形成氧化铝晶粒并进而形成氧化铝层，降低氧原子向内部扩散的速率。而在织构化上表面由于首先形成氧化钛颗粒，即使后继形成氧化铝颗粒，也被氧化钛颗粒分隔开，无法形成致密的陶瓷层，也就无法阻止氧向内部渗透。本项目展示出结构设计对性能调控的重大作用，项目发展的织构化陶瓷材料设计技术及原理可以利用现有的非立方晶格结构的陶瓷材料进行结构再设计，制备出在择优方向上具有优秀物理和力学性能的陶瓷材料。