具有可调机械和电性能的B4C–TiB2复合陶瓷

近年来，导电复合陶瓷逐渐成为结构陶瓷功能化的研究热点，但导电性的提高一般是以增加导电相含量或牺牲复合陶瓷的力学性能为代价的，因此在低导电相含量下实现复合陶瓷的高导电性具有重要意义。本研究采用两步放电等离子烧结工艺制备了仅含15vol%TiB 2的导电B 4 C–TiB 2复相陶瓷，并通过优化原料粉体的粒度耦合调控其力学和电学性能。

安徽工业大学材料科学家团队最近采用两步放电等离子烧结法制备了高导电性的 B 4 C–TiB 2陶瓷。由大 B 4 C 晶粒和小 TiB 2晶粒组成的三维互连 TiB 2晶粒网络为电流的通过建立了良好的导电路径，有利于提高电导率。此外，他们还通过对原料粉末进行最佳粒度耦合，实现了对 B 4 C–TiB 2陶瓷机械和电学性能的可控调节。

该团队于 2024 年 4 月 25 日在《先进陶瓷杂志》 上发表了他们的评论。

“在这项研究中，我们基于新颖的选择性基质晶粒生长策略，通过两步法制 备了高导电性的 B 4 C–TiB 2陶瓷。在烧结过程中，小的 B 4 C 晶粒被完全消耗，而小的 TiB 2晶粒则围绕在 B 4 C 晶粒周围，形成三维互连的晶粒间 TiB 2网络。因此，形成了更多的导电通道，从而提高了复合材料的电导率，”论文的通讯作者、安徽工业大学材料科学与工程学院教授冉松林博士说道。

由10.29 µm B 4 C和0.05 µm TiC粉体制备的B 4 C-15 vol% TiB 2复相陶瓷具有完善的三维互连导电网络,其最大电导率为4.25×10 4 S/m,具有优异的力学性能,抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别为691±58 MPa、30.30±0.61 GPa和5.75±0.32 MPa·m 1/2 ;而由3.12 µm B 4 C和0.8 µm TiC粉体制备的复合材料具有最好的力学性能,抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别为827±35 MPa、32.01±0.51 GPa和6.45±0.22 MPa·m 1/2 ,电导率为0.65×10 4 S/m。

冉松林博士说：“本文提出的方法可以在较低的导电相含量下制备高导电性陶瓷，大大降低了生产成本，也为复合陶瓷微观结构与性能的调控提供了一种新策略。”

下一步是通过引入陶瓷颗粒、晶须、纤维等对三维网络进行重构，构建更加完善的导电网络。此外，还需详细研究多导电相对复相陶瓷微观结构、电学性能和力学性能的影响，揭示导电机理。

其他贡献者包括来自中国马鞍山安徽工业大学的赵、张兴硕、马宗宁、王东和金星;以及中国合肥的巢湖大学。

该研究得到了国家自然科学基金(Nos. 52072003 和 52002003)、安徽省教育厅自然科学基金(Nos. 2023AH052095 和 KJ2021A0405)以及安徽省自然科学基金(No. 2208085QE146)的支持。

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