不同材料通過特定的微觀結(jié)構(gòu)相互嵌合獲得的復(fù)合材料往往會(huì)展現(xiàn)意想不到的優(yōu)異性能，這也是自然材料在億萬(wàn)年演化后呈現(xiàn)出來的主流微觀結(jié)構(gòu)形式。在晶體材料領(lǐng)域，兩種或者三種晶體材料按照特定的成分混合熔化后再進(jìn)行冷卻凝固，不同的晶體將會(huì)以共晶反應(yīng)的形式從熔體中自動(dòng)交替復(fù)合生長(zhǎng)。如果進(jìn)一步限制熔體按照特定的方向進(jìn)行凝固，再調(diào)整凝固速度，則可以使不同特性材料在微米甚至納米尺度按照特定生長(zhǎng)取向和結(jié)合方式進(jìn)行原位自生均勻復(fù)合。由此衍生的共晶定向凝固技術(shù)一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來為高性能復(fù)合材料的開發(fā)和提升做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)。

共晶凝固理論是共晶凝固技術(shù)的基礎(chǔ)，該理論的研究在過去近60年的繁榮發(fā)展中獲得了一系列的重要成果，并建立了系統(tǒng)的理論體系，可以較為清晰的描繪nf/nf和nf/f共晶材料的定向凝固行為(根據(jù)各組元的不同晶體特性，共晶材料被分為非小平面(nf)/非小平面(nf)、非小平面(nf)/小平面(f)以及小平面(f)/小平面(f)三類)。本世紀(jì)初定向凝固氧化物共晶陶瓷(DSEC)復(fù)合材料的興起和發(fā)展揭示了f/f共晶材料在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，f/f共晶材料的重要性逐漸被關(guān)注。然而，f/f共晶材料的高速定向凝固行為已難以利用現(xiàn)有共晶凝固理論進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。盡管近20年來與此相關(guān)的研究獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，DSEC復(fù)合材料的定向生長(zhǎng)行為與現(xiàn)有共晶凝固理論依然難以實(shí)現(xiàn)融合統(tǒng)一。原因在于以下兩點(diǎn)關(guān)鍵問題沒有被攻克，即高速凝固條件下的共晶胞狀結(jié)構(gòu)控制與f-nf轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。以上兩點(diǎn)問題已成為小平面共晶生長(zhǎng)行為理論建模的主要障礙，使得小平面共晶復(fù)合材料凝固結(jié)構(gòu)的精確預(yù)測(cè)與調(diào)控變得尤為困難。

針對(duì)以上問題，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)近日以Al2O3/YAG/ZrO2三元小平面共晶陶瓷復(fù)合材料為研究對(duì)象，結(jié)合高梯度激光懸浮區(qū)熔定向凝固技術(shù)和高精度紅外成像實(shí)時(shí)測(cè)溫，實(shí)現(xiàn)了小平面共晶陶瓷在300 μm/s高速定向凝固過程中的溫度場(chǎng)演化規(guī)律表征，測(cè)量溫度接近2000 ℃的情況下將測(cè)量誤差縮小至5.2 ℃；闡明了凝固速度對(duì)凝固界面溫度梯度和過冷度等關(guān)鍵凝固參數(shù)的影響規(guī)律；在此基礎(chǔ)上揭示了凝固參數(shù)與材料凝固結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系，首次發(fā)現(xiàn)了Al2O3/YAG/ZrO2三元小平面共晶復(fù)合陶瓷發(fā)生f-nf轉(zhuǎn)變的臨界過冷度，并成功實(shí)現(xiàn)了小平面共晶陶瓷復(fù)合材料共晶胞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，獲得了均勻性優(yōu)異的微納米(~140nm)小平面共晶結(jié)構(gòu)，為小平面共晶復(fù)合材料的定向凝固理論建模和結(jié)構(gòu)調(diào)控奠定了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Insight into faceted-nonfaceted transition of directionally solidified eutectic ceramic composites by laser floating zone melting and infrared imaging”為題發(fā)表在了Composites Part B: Engineering上。

原文鏈接：DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111372

圖1 不同抽拉速度下獲得的定向凝固Al2O3/YAG/ZrO2三元小平面共晶復(fù)合陶瓷棒微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比：(a1-a2) 25 μm/s; (b1-b2) 50 μm/s; (c1-c2) 100 μm/s; (d1-d2) 200 μm/s; (e1-e2) 300 μm/s.

憑借激光懸浮區(qū)熔定向凝固技術(shù)提供的超高溫度梯度，在25~300 μm/s的寬抽拉速度范圍內(nèi)成功制備了定向凝固Al2O3/YAG/ZrO2三元小平面共晶陶瓷復(fù)合材料，微觀結(jié)構(gòu)跨越了均勻共晶-非均勻胞狀共晶-均勻胞狀共晶三個(gè)特征階段，成功觀察到f-nf轉(zhuǎn)變。

圖2 Al2O3/YAG/ZrO2樣品在300 μm/s抽拉速度下發(fā)生f-nf轉(zhuǎn)變后微觀結(jié)構(gòu)特征的三維解析：(a) 共晶結(jié)構(gòu)的3D模型; (b) 模型切面與300 μm/s樣品切面對(duì)比驗(yàn)證

解析了Al2O3/YAG/ZrO2樣品在300 μm/s抽拉速度下發(fā)生f-nf轉(zhuǎn)變后的三維結(jié)構(gòu)，共晶胞中心為三棱柱狀晶，其周圍被層狀晶包圍。低抽拉速度下樣品的共晶胞間為粗大的非規(guī)則結(jié)構(gòu)，在f-nf轉(zhuǎn)變后該區(qū)域被細(xì)小的均勻?qū)訝罹〈瑢?shí)現(xiàn)了胞狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

圖3 紅外成像實(shí)時(shí)測(cè)溫的高精度原位校準(zhǔn)策略：(a) 300 μm/s抽拉速度下懸浮熔區(qū)處于穩(wěn)定抽拉狀態(tài)時(shí)的二維溫度場(chǎng)以及直線標(biāo)定處的線溫度分布圖；(b-d) 激光關(guān)閉后(a)所示溫度場(chǎng)在1.44 s內(nèi)的演化過程；(e) 300 μm/s速率穩(wěn)定抽拉過程中懸浮熔區(qū)上界面處的溫度場(chǎng)特征，及其線溫度曲線和對(duì)應(yīng)的二次導(dǎo)數(shù)曲線；(f)再輝特征溫度和上界面處特征溫度與材料發(fā)射率之間的關(guān)系

在300 μm/s抽拉速度下突然關(guān)閉激光，意外觀察到懸浮熔區(qū)發(fā)生再輝現(xiàn)象，因再輝區(qū)域的溫度必然小于材料熔點(diǎn)，以此為特征溫度點(diǎn)1；300 μm/s抽拉速度下穩(wěn)態(tài)抽拉時(shí)，上液固界面溫度必然高于材料熔點(diǎn)，以此為特征溫度點(diǎn)2。通過兩個(gè)特征溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫的原位校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)材料發(fā)射率ε范圍在0.3198~0.3223之間，選取發(fā)射率ε為0.321后，盡管測(cè)量溫度高達(dá)2000 ℃，測(cè)量誤差可以被縮小至5.2 ℃。

圖4 不同抽拉速度下懸浮熔區(qū)的二維溫度場(chǎng)對(duì)比(a)，圖中各抽拉速度下對(duì)應(yīng)的線溫度(線已標(biāo)記在圖中)分布分別為: (b) 25 μm/s, (c) 50 μm/s, (d) 100 μm/s, (e) 200 μm/s, (f) 300 μm/s

在完成紅外測(cè)溫的校準(zhǔn)工作后，揭示了Al2O3/YAG/ZrO2樣品在25~300 μm/s抽拉速度范圍內(nèi)的溫度場(chǎng)演化規(guī)律。隨著抽拉速度提高，懸浮熔區(qū)變長(zhǎng)，下液固界面處溫度梯度由2262.2 ℃/cm降至818.9 ℃/cm，且在300 μm/s時(shí)出現(xiàn)明顯的過冷度增大現(xiàn)象。

圖5 溫度場(chǎng)演化解析：(a-b) 100 μm/s和300 μm/s抽拉速度下懸浮熔區(qū)的溫度場(chǎng)對(duì)比；(c) 懸浮熔區(qū)熱流示意圖；(d) 過冷度對(duì)懸浮熔區(qū)長(zhǎng)度的影響；(e) 凝固潛熱對(duì)懸浮熔區(qū)長(zhǎng)度的影響

分析了抽拉速度對(duì)懸浮熔區(qū)溫度場(chǎng)的影響機(jī)制：抽拉方向和熱流方向的一致性導(dǎo)致了溫度梯度隨抽拉速度提高而降低；過冷度隨著抽拉速度提高而變大；這兩方面的因素顯著影響了懸浮熔區(qū)長(zhǎng)度和溫度分布特征，揭示了極限抽拉速度的形成原因。

圖6 240~300 μm/s抽拉速度下懸浮熔區(qū)下S-L界面過冷度及對(duì)應(yīng)凝固結(jié)構(gòu)對(duì)比：(a) 懸浮熔區(qū)溫度場(chǎng)；(b) 圖(a)中標(biāo)注處的線溫度分布；(c) 50 s穩(wěn)定抽拉過程中界面過冷度統(tǒng)計(jì)；(d) 不同抽拉速度下對(duì)應(yīng)凝固樣品橫截面微觀結(jié)構(gòu)

深入分析了溫度場(chǎng)演化和共晶結(jié)構(gòu)演化的關(guān)聯(lián)。揭示了f-nf轉(zhuǎn)變和凝固界面過冷度之間的直接關(guān)系，f-nf轉(zhuǎn)變的臨界過冷度為34±13 ℃，該結(jié)論揭示了動(dòng)力學(xué)過冷在小平面共晶高速凝固中的重要性。

綜上所述，該工作針對(duì)小平面共晶凝固理論面臨的共晶胞狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和f-nf轉(zhuǎn)變機(jī)理這兩大難題，以Al2O3/YAG/ZrO2三元小平面共晶陶瓷復(fù)合材料為例子，系統(tǒng)深入的揭示了f-nf轉(zhuǎn)變的內(nèi)在機(jī)理及其對(duì)共晶胞狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化作用，從實(shí)驗(yàn)的角度澄清了動(dòng)力學(xué)過冷在小平面共晶快速凝固過程中的重要性，對(duì)DSEC材料的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和拓展現(xiàn)有共晶定向凝固理論均具有重要參考意義。

通訊作者簡(jiǎn)介：

蘇海軍，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才，國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，中國(guó)有色金屬創(chuàng)新爭(zhēng)先計(jì)劃獲得者，入選國(guó)家首批“香江學(xué)者”計(jì)劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人和陜西重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。長(zhǎng)期從事先進(jìn)定向凝固技術(shù)與理論及新材料研究研究，涉及高溫合金、超高溫復(fù)合陶瓷、結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料，以及激光增材制造等。主持包括國(guó)家自然基金重點(diǎn)、優(yōu)青等7項(xiàng)國(guó)家基金在內(nèi)的30余項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)重要科研項(xiàng)目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發(fā)表論文160余篇。獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利50余項(xiàng)以及3項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專利。參編專著3部。獲陜西高校科學(xué)技術(shù)研究?jī)?yōu)秀成果特等獎(jiǎng)，陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)，陜西省冶金科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，全國(guó)有色金屬優(yōu)秀青年科技獎(jiǎng)和陜西青年科技獎(jiǎng)各1項(xiàng)。