新型结构/功能陶瓷Al2O3/EAG高梯度定向凝固特性与性能研究

氧化物共晶陶瓷具有优异的高温力学性能，被认为是新一代超高温氧化性气氛中长期工作的新型先进结构材料。氧化物陶瓷的发展和制备技术进步使理解陶瓷凝固特性、提高力学性能及发展新的功能应用更加迫切。本项目拟采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术，通过精确控制和优化悬浮区熔定向凝固过程，制备组织超细化(亚微米级)、相分布均匀、取向精度较高的新型Al2O3/Er3Al5O12(EAG)超高温共晶自生复合热辐射陶瓷，建立氧化物共晶激光悬浮区熔定向凝固方法，探明共晶陶瓷的高梯度定向凝固组织特征、微观组织控制与固液界面演变规律，揭示高熔化熵小平面相共晶的内禀凝固特性与非规则生长机制。在此基础上，考察Al2O3/EAG共晶的力学性能与热辐射特性及影响因素，建立凝固参数-凝固组织-材料性能的相互关系，为开发新型结构与功能一体化热辐射陶瓷及新一代高效热光伏发电系统，丰富和发展共晶凝固理论，提供新的理论基础和技术支撑。

氧化物共晶自生复合陶瓷具有优异的高温力学性能，被认为是新一代超高温氧化性气氛中长期工作的新型先进结构材料。Al2O3/Er3Al5O12(EAG)共晶复合陶瓷不仅具有优异的高温力学性能，而且在可见光及近红外光区域具有强烈而尖锐的热辐射特性，是一种理想的基于GaSb电池热光伏系统高效、节能的新一代选择性热辐射器材料。本项目突破传统陶瓷烧结制备方法，创新性的采用激光悬浮区熔超高梯度定向凝固技术成功制备了全致密、组织均匀、超细化的Al2O3/EAG共晶陶瓷，建立了氧化物共晶陶瓷激光悬浮区熔高梯度定向凝固工艺，揭示了氧化物共晶陶瓷在高温度梯度下的凝固特性及其生长机制。取得的主要研究结果如下:. (1) 激光悬浮区熔Al2O3/EAG共晶陶瓷由无规则连续分布的a-Al2O3和EAG 两相组成。两相耦合生长，形成原位镶嵌的三维连续网状结构，属于典型的非规则共晶组织. (2) 激光悬浮区熔Al2O3/EAG共晶陶瓷呈现超细化的凝固组织。随凝固速率的增大，共晶间距快速减小，最小达到100 nm；固液界面呈现平界面-浅胞状界面-胞状界面的演化规律。共晶间距与凝固速率遵循Jackson-Hunt关系，即λ=9.42V-1/2。. (3) Al2O3/EAG共晶陶瓷相界面光滑洁净，不存在其它相及非晶相。共晶相晶体学关系为：[0,1,-1, 0] Al2O3//[-3,-1,7] EAG，(0,0,0,1)Al2O3//(-3,2,-1)EAG。两相界面错配度为28.5%，为非共格界面。. (4) Al2O3/EAG共晶陶瓷硬度和断裂韧性分别为18.7GPa和2.45MPa•m1/2。微观组织高度细化以及裂纹扩展过程中沿两相界面的偏转和分叉有效提高了材料的韧性。. (5) 共晶陶瓷在波长1.5um近红外区域均表现出强烈的选择性吸收峰 (带)，与GaSb电池灵敏区匹配良好，有望作为TPV系统中的热辐射器材料使用。.. 该项目获授权发明专利11项、实用新型专利3项。发表学术论文26篇，其中SCI收录21篇，包括本领域TOP1期刊J. Eur. Ceram. Soc. 4篇和Appl. Phys. Lett. 1篇。出席国际会议4次，其中特邀报告2次、担任分会主席1次