中國粉體網訊  近期，工信部國家重點研發計劃2024年度項目申報指南發布，共涵蓋“高端功能與智能材料、先進結構與復合材料、新型顯示與戰略性電子材料、高性能制造技術與重大裝備、微納電子技術、新能源汽車”等在內16個重點專項。

其中，“承溫1600℃以上長壽命氧化物共晶陶瓷材料研究與形性協同制備技術”等多個先進陶瓷技術在內。

什么是共晶陶瓷？

共晶陶瓷是一種特殊的陶瓷材料，由兩種或多種成分組成，通過共同熔化和凝固形成具有特定結構和性能的材料。共晶現象最早由美國材料科學家W.H. Rhodes在20世紀30年代首次發現，他在研究高溫熔融鹽時觀察到了兩種或多種成分以特定比例混合并在高溫下熔化時，冷卻后形成具有特殊晶體結構的材料。這項發現為共晶陶瓷的開發和應用奠定了基礎。

共晶陶瓷中的微觀組織結構

a) 層片狀； b) 條棒狀； c) TDI 組織結構

與普通復合陶瓷相比，兩者在晶界結構存在極大的差別。普通復相陶瓷材料無論是固相燒結還是液相燒結，其晶界摻雜玻璃相或者是其他第三相；而共晶陶瓷晶界非常干凈，例如基于熔體生長的氧化物共晶陶瓷，其基體相與增強相同時從熔體中共生復合析出并耦合生長，獲得了大量潔凈且結合牢固的相界面。

共晶陶瓷可以使用多種組分進行制備。常見的共晶陶瓷是氧化鋁-氧化鋯（Al₂O₃-ZrO₂），除此之外，還有其他常見的共晶陶瓷組分，比如氧化鋁-氮化硅（Al₂O₃-Si₃N₄）、硼化鈦-碳化硅（TiB₂- SiC）、氧化鋯-氧化釔（ZrO₂-Y₂O₃）、氧化鋯-碳化鎢（ZrO₂- WC）等。這些組分的選擇取決于所需的性能和應用領域。

常見氧化物共晶陶瓷體系及其共晶點和共晶成分

近些年，氧化物共晶陶瓷以其優異的高比強度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化和抗蠕變等獨特性能，被認為是超高溫氧化腐蝕等極端環境下長期穩定服役的理想材料之一，是發動機、燃氣輪機葉片等高溫零部件的候選材料，近年來對于各體系氧化物共晶體系有了較為廣泛的研究。

氧化物共晶陶瓷的制備方法

高性能共晶陶瓷的制備需要具備兩個關鍵的條件，首先需要高溫熱源將高熔點的共晶成分原料粉熔化，其次是需要較快的冷卻速度，得到組織細小、連續三維狀的共晶組織。從熔體中生長晶體可分為三類：一是原材料全部熔化之后從一端開始凝固；二是從大量熔融爐料中緩慢提拉出較小的晶體；三是小部分區域被熔化，逐步移動直至通過整個坯體。目前氧化物共晶陶瓷主要的制備方法包括：布里奇曼法、激光區域熔煉法、微拉法、定邊喂膜法、燃燒合成法等。

1.布里奇曼法(Bridgman)

該方法是最早用于制備共晶陶瓷的方法。它是使裝有物料的坩堝在一定溫度梯度的爐膛內緩慢下降，爐溫控制在略高于材料的熔點附近，在通過加熱區域時，坩堝中的物料被熔融，當坩堝持續下降時，坩堝底部的溫度先下降到熔點以下，并開始結晶，晶體隨坩堝下降而持續長大。

Bridgman法晶體生長的基本原理

該法優點是能夠制備出大尺寸的共晶陶瓷，缺點是由于晶體生長速度慢，溫度梯度較小，共晶相間距離較大，會影響共晶陶瓷的性能。另外設備昂貴，成本較高。

2.激光區域熔煉法(LFZ)

該方法以激光作為定向凝固源，具有能量高度集中的特性，不僅可以實現極高的溫度而且可以獲得比傳統定向凝固技術高得多的溫度梯度10⁶K/m，為實現高熔點難熔共晶陶瓷的快速凝固提供了一個非常有力的途徑。

高熔點難熔共晶陶瓷快速凝固

LFZ法溫度梯度高、無污染、生長速度快。材料熔化后凝固速率范圍寬且能保證凝固界面平滑，激光掃描速率不同也會得到不同的熔化區域共晶組織的微觀結構，因此可控制材料的組織與性能。

3.燃燒合成法

燃燒合成法是采用燃燒熱源來實現共晶陶瓷的制備，是一種完全不同于傳統工藝的新型共晶陶瓷制備技術。根據燃燒體系的選取可以使升溫速率可以超過 2000 ℃ /min并且反應溫度能夠達到3000 ℃，反應能夠在幾分鐘內完成并且能迅速回到室溫。燃燒合成法制備的共晶陶瓷的致密化程度得到了巨大提升。

4.微拉法

微拉法是指將熔融的配料液體裝到一個底部有小孔的坩堝里通過籽晶在小孔處引導熔體下流進而完成凝固過程。通過孔洞的調節可以獲得直徑大約為0.3～5mm之間大小的試樣。該法的溫度梯度可以達到103K/cm，能夠獲得具有優異機械性能的試樣。這種方法只適用于制備形狀簡單的小尺寸試樣。

氧化物共晶陶瓷的應用研究

高性能切削工具

在金屬切削行業中，共晶陶瓷刀具的應用取得了顯著的突破，特別是氧化鋯與碳化鎢（ZrO₂-WC）結合形成的共晶陶瓷刀具，展現了卓越的性能。這類刀具特別適用于處理那些難以加工的材料，比如鎳基合金和鈦合金。使用這些共晶陶瓷刀具，不僅能顯著延長工具的使用壽命，還能提升切削效率，并確保加工出的產品具有更高的質量水平。

高溫結構材料

氧化物共晶陶瓷是一種熔體自生復合陶瓷(MGC)，定向凝固過程中，基體與增強相從熔體中同時共生復合，避免了傳統的人工復合材料基體與增強相間的人為界面，相對傳統高性能陶瓷而言，該技術大大降低直至完全消除粉末燒結過程中所產生的孔洞和界面非晶相，從而提高材料的致密度和織構化程度。其在擇優生長方向上具有優異的室溫和高溫力學性能，有望成為高溫結構材料。

用于燃氣渦輪發動機高溫零部件的共晶陶瓷

陶瓷催化劑載體

共晶陶瓷材料同樣在催化劑載體領域展現出了其獨特價值，尤其是氧化鋁與二氧化鋯（Al₂O₃-ZrO₂）組合而成的共晶陶瓷。因其高表面積和化學穩定性，常用作汽車尾氣催化劑載體，能提升催化效率，延長使用壽命，并具有出色的熱穩定性和抗中毒性。

來源：

袁世峰：Al₂O₃/ZrO₂/Er₃Al₅O₁₂復相粉體與共晶陶瓷的制備及性能研究

姚佳彤等：氧化物共晶陶瓷激光增材制造裂紋缺陷形成及抑制研究進展

諸宗富等：定向凝固氧化物共晶陶瓷的制備工藝與性能

產品技術質量前沿：陶瓷的結構與性能-陶瓷中的擴散

（中國粉體網編輯整理/空青）

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