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在航空航天、能源動力等領(lǐng)域，陶瓷熱防護材料是守護設(shè)備在極端高溫下穩(wěn)定工作的“耐高溫鎧甲”。但長期以來，這類材料一直面臨一個棘手的困境：想讓它隔熱效果好、熱導率低，它就會變得又脆又容易裂；想讓它結(jié)實耐摔韌性高，隔熱能力又會大打折扣。這種“顧此失彼”的矛盾，嚴重限制其在高端裝備上的應(yīng)用。

近日，昆明理工大學材料科學與工程學院、金屬先進凝固成形及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心陳琳、馮晶團隊，在國際頂刊《先進材料》發(fā)表重要成果，用“高密度位錯工程”這一創(chuàng)新方法，成功打破了這個困擾行業(yè)多年的“死循環(huán)”，讓陶瓷材料實現(xiàn)了“又硬又韌還隔熱”的突破。

給陶瓷加“雙重防護”，抗裂又隔熱

“陶瓷材料之所以‘脆’，核心是其內(nèi)部的原子結(jié)合方式像‘剛性骨架’，一旦受到外力沖擊就容易斷裂?！崩ッ骼砉ご髮W材料科學與工程學院院長馮晶教授介紹，陶瓷材料的隔熱效果，關(guān)鍵看熱量的“傳遞小使者”——聲子，也可以理解為這種材料里傳遞熱量的“小精靈”，能否在材料里順利“跑”起來。

以前，要是用傳統(tǒng)方法去優(yōu)化其中一項性能，總會犧牲另一項，比如給陶瓷造些孔隙來阻擋聲子，讓隔熱更好，可材料強度會直接下降；想讓晶粒結(jié)合更緊密來提升韌性，聲子又能跑得更快，隔熱效果就變差了。

“昆明理工大學團隊深耕這個領(lǐng)域十余年，終于找到了解決方案?！瘪T晶說，他們給陶瓷打造“鐵彈疇+高密度位錯”的雙重防護，設(shè)計出釔鉭酸鹽及三釔鉭酸鹽復合陶瓷。這兩種成分的原子排列高度匹配，就像拼圖一樣嚴絲合縫，讓陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固。當材料受到外力時，內(nèi)部的“鐵彈疇”會像“緩沖器”一樣發(fā)揮作用——要么讓裂紋改變方向繞著走，要么通過自身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變吸收沖擊力，還能形成“裂紋橋”拉住斷裂處，大大減少斷裂風險。

為了讓防護效果更上一層樓，研究團隊采用“放電等離子燒結(jié)+高溫熱處理”的特殊工藝，在陶瓷內(nèi)部制造出大量“高密度位錯”，也就是原子排列時故意留出的“小錯位”，如同在整齊的隊伍里設(shè)置的“減速帶”。這些位錯密度高達每平方毫米10億到100億個，是普通陶瓷的上千倍。它們一方面能擋住裂紋擴展，讓陶瓷更耐摔；另一方面還能和晶體內(nèi)部形成的自發(fā)應(yīng)變小區(qū)域“鐵彈疇”配合，形成雙重抗裂屏障。從而，使這款復合陶瓷的斷裂韌性提升了一倍多，比傳統(tǒng)常用的熱防護陶瓷結(jié)實1.4倍，徹底擺脫了“一摔就碎”的毛病。

陶瓷隔熱結(jié)實翻倍，應(yīng)用前景廣闊

更讓人意外的是，這些“高密度位錯”不僅讓陶瓷更堅韌，還讓它的隔熱能力實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

“聲子這個‘熱量小使者’在陶瓷里傳遞熱量時，遇到密密麻麻的位錯就像走迷宮一樣，不斷被阻擋、散射，根本跑不快。”昆明理工大學材料科學與工程學院特聘教授陳琳說，這種位錯，還會讓陶瓷內(nèi)部的原子排列產(chǎn)生微小“變形”，進一步攔住聲子的傳播路徑，熱量自然就很難傳遞出去了。

實驗數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過特殊處理后的復合陶瓷，在900℃的高溫環(huán)境下，熱導率最低相當于傳統(tǒng)主流熱防護陶瓷的一半。這意味著，它能像“隔熱棉被”一樣牢牢鎖住熱量，同時又能像“堅固鎧甲”一樣抵抗沖擊。

這種“又韌又隔熱”的效果，全靠團隊對陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控：原子級別的緊密結(jié)合保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，鐵彈疇提供了基礎(chǔ)抗裂能力，高密度位錯則同時搞定了“抗裂升級”和“隔熱強化”，三者聯(lián)手破解了多年的行業(yè)難題。

“這項成果的核心亮點，是提出了‘高密度位錯工程’這一通用方法，給脆性陶瓷的性能優(yōu)化提供了新思路。”論文通訊作者、參與合作研究的清華大學教授沈洋介紹，未來，這款新型陶瓷材料有望廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機的耐高溫涂層、高超音速飛行器的隔熱部件上，讓這些高端裝備能在更極端的環(huán)境下穩(wěn)定工作，使用壽命大幅提升。同時，這種“微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控”的思路，也能為其他功能陶瓷的優(yōu)化提供參考，不管是工業(yè)設(shè)備還是日常用品，都能從中受益，具有重要的實用價值。

（受訪者供圖）