陶瓷固溶分相规律及其烧结熔体调控原理

Ceramics are sintered in different modes and processes, and the dopants as sintering additives enhance usually densification at a later stage. By quantitative analysis of ceramic microstructures, the solid-solutions of dopants in the ceramic phases were often found to exhibit non-uniform distributions, which may be call solute-separation phenomena. Such solution patterns contain fundamental information on the whole sintering processes, while they reflect also the competition and balance between sintering kinetics and thermodynamic equilibration. This project intends to develop a comprehensive, multi-leveled TEM-SEM-XRD characterization system to probe into the solute separation patterns and microstructural behaviors in ceramics. Following oxide, Si-based and ultra-high temperature ceramics, we shall study the mechanisms of three solute separation patterns: grain-morphology, phase-transformation and multi-phase, corresponding respectively to cation-solution, compound-solution and multi-phase-solution, which will bring us close to a collective picture of phase formation and microstructure development dictated by the evolution of sintering melts. With this project, we anticipates to develop a universal picture for various sintering modes through the investigation of solute separation patterns, especially the dictating characters and collective roles of sintering melts in their contribution to different stages of sintering process. We believe these will lead to a correlated tailoring of the multi-scale phase relationship and microstructures, which could serve as a starting point for the optimized design of multi-leveled structure-chemistry, thermo-mechanical properties relationships.

陶瓷烧结有多种模式，掺杂助剂通常能促进烧结后期的致密化。对不同陶瓷微结构的定量研究发现，掺杂物在主相中固溶常出现不均匀分布现象，或称固溶分相。这些掺杂固溶现象不但含有烧结过程中成核、相变、反应与生长等较早阶段的基本化学、物理信息，也能反映烧结动力学作用与热力学平衡之间的制约与协调。本研究拟借助TEM-SEM-XRD多元表征体系的建设来探索与研究固溶分布与微结构一体化行为特征，并通过氧化物、硅基和超高温陶瓷分别对阳离子固溶、化合物固溶和复相联动固溶产生的形貌分相、相变分相和复相分相行为进行规律与机理研究，以探究相形成与微结构协同演变的烧结熔体作用原理。本研究期望通过研究固溶分相规律发现不同烧结方式的共性微观图像，着重揭示熔体在烧结各阶段的转换作用机理及整体性调控原理，以实现陶瓷多层次相关系与多尺度微结构的精细调控，并为陶瓷跨尺度结构与成分分布设计、力热性能一体优化提供新的出发点。

掺杂物助烧结构陶瓷与功能陶瓷，不仅能调控微结构，还带来新的相关系、相变行为和功能缺陷，研究其固溶行为可揭示陶瓷复相及微结构形成规律，以及烧结过程的微观调控机理。借助微观尺度及多元性的定量表征方法，本项目研究固溶与微结构一体化行为特征，并通过氧化物、硅基和超高温陶瓷三陶瓷体系对阳离子固溶、化合物固溶和复相联动固溶产生的形貌分相、相变分相和复相分相的规律及机理开展了研究，发现不同烧结方式的共性微观图像，揭示熔体在烧结各阶段的转换作用机理及整体性调控原理，建立陶瓷多层次相关系与多尺度微结构的精细调控框架，为陶瓷烧结设计、力热光电性能整体优化提供新的基础。. 众多固溶分相现象及微结构的发现与解析，归结于掺杂物可调控烧结熔体成分以实现多级固溶，形成各类“核-周”结构。在超高温陶瓷中发现复相关系受制于固溶分相导致的微结构演变规律，硼碳基烧结熔体的“液相反应”起主导作用，并形成层级化的复相关系、跨尺度微结构，整体解析复相陶瓷的力学行为及协同改善高温、低温性能。碳化硅陶瓷的相变分相，将固溶分相、中间相及晶界相的演变与液相成分实现关联，构建烧结全过程的协同调控机制，为实现完全烧结、优化高温蠕变性能提供微观机理。SiAlON陶瓷相似的相变分相行为，给亚稳相变提供了固溶微结构关联原理及烧结调控机理。. 功能氧化物陶瓷中的固溶分相对其力、热、电、光性能都有影响。对“核-周”结构及复合分相现象的协同探究，给萤石结构相关陶瓷的两相微结构形成及相转变行为提供完整的解析。氧空位等点缺陷与固溶的关联作用，进一步拓展跨尺度微结构的定量化研究，揭示钛酸锶陶瓷的高介电行为、热电性能改善的空位调控机理，以及石榴石电解质中锂迁移行为与掺杂微结构的关联机理。一系列微结构现象的发现与微观机理的提出，给陶瓷结构-功能一体化提供了系统性表征研究基础和对应用研究的整体性支撑。.