近日，中国科学院上海硅酸盐研究所先进碳化物课题组在碳化物固溶体纳米复相陶瓷研发上取得了重要进展。该研究得到了国家自然科学基金会、中国科学院青年创新促进会等资助支持。相关成果以“Cross-scale microstructure design of precursor-derived SiC-AlN nanoceramic composites hybrid with ex-situ ZrB2”为题发表在期刊《Advanced Powder Materials》（https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100063）上，该论文通讯作者为殷杰副研究员（第八批会员）和黄政仁研究员。

纳米复相陶瓷因具有纳米尺寸晶粒和高浓度晶界，表现出优异的物理和化学性质。作为新型结构材料，SiC基纳米复相陶瓷在力学、热学和电学等领域具有广阔的应用前景。聚合物衍生陶瓷 (PDCs) 工艺是制备SiC基纳米复相陶瓷的重要方法之一，利用聚碳硅烷 (PCS) 裂解可以原位生成纳米尺寸的SiC晶粒，可制备出高度致密SiC基纳米复相陶瓷。殷杰副研究员小组选用AlN对SiC基体进行固溶增强，AlN与SiC形成连续固溶体，细化SiC晶粒并促进体系烧结致密化；同时直接引入纳米尺度第二相粒子 (ZrB2) 作为增强相， ZrB2可以通过裂纹偏转引起能量耗散，从而显著提高材料的断裂韧性。通过微观结构跨尺度设计，实现SiC基纳米复相陶瓷力学、热学及电学性能的同步提升。

本研究小组将PDCs路线与热压烧结方法相结合，以原位AlN固溶与直接外加ZrB2协同增强，制备出了高度致密的新型ZrB2/SiC-AlN纳米复相陶瓷，并系统的开展了其烧结致密化机理研究。随着烧结温度提高，PCS裂解生成的SiC结晶度逐渐增大，同时与AlN发生固溶反应，样品的致密度得到提高。但由于采用了相对较低的烧结温度，以及少量未完全裂解的PCS产生气体逸出，SiC-AlN固溶相基体中仍存在较多孔隙。此时，超细ZrB2会优先分布在孔隙区域形成网状结构，提高材料整体的致密度。

所制备的复相陶瓷晶粒细小，且网状ZrB2的形成提高了相对密度，故ZrB2/SiC-AlN纳米复相陶瓷具有优异的综合性能，与文献中其他利用PDCs路线制备的相关材料相比，其力学性能具备明显优势。ZrB2/SiC-AlN纳米复相陶瓷在1400oC时热导率为14.3 W·m-1·K-1，相比室温时下降了42.8%。主要原因是纳米复相陶瓷晶粒细小，晶界比例高，高温下晶界对声子传导的阻碍作用更强，声子散射增强所导致。SiC-AlN固溶体的电阻率一般在106~1010 Ω·cm范围内，而ZrB2电阻率约为10-5 Ω·cm，网状结构ZrB2的形成有效降低了ZrB2/SiC-AlN纳米复相陶瓷的电阻率，其电阻率为3.9×103 Ω·cm。本研究制备了具有优异性能和独特微观结构的新型ZrB2/SiC-AlN纳米复相陶瓷，有望在严苛环境等战略应用领域大显身手。

SiC-AlN固溶相基体超微结构分析

所制备ZrB2/SiC-AlN纳米复相陶瓷的力学、热学、电学等综合性能优异