高熵晶界修饰ZrO2基纳米玻璃陶瓷的制备及其组织与性能的热稳定性
批准号:
52102084
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
傅乐
依托单位:
学科分类:
结构陶瓷
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
傅乐
中文摘要
纳米陶瓷由于具有大量处于高能状态的晶界而不稳定,在热环境中易出现晶粒粗化现象,导致其纳米特性减弱,甚至完全丧失。针对此问题,本课题将高熵晶界理念引入纳米陶瓷领域,利用溶质原子共偏析在快速烧结中形成高熵晶界,降低晶界能,阻碍晶界移动,抑制纳米晶粒粗化,提高纳米陶瓷在烧结和中/高温服役双过程中的晶粒尺寸稳定性,从而稳定其性能。本课题拟向ZrO2-SiO2纳米玻璃陶瓷复合添加五元在ZrO2晶界具有强烈偏析倾向的溶质原子,经放电等离子体烧结形成高熵晶界,然后对由高熵晶界修饰的纳米玻璃陶瓷进行烧结后热处理,探究高熵晶界在烧结和热处理双过程中抑制ZrO2纳米晶粒粗化的效果和机理,考察晶界高熵化对力学性能的影响;采用电镜技术观察高熵晶界内各溶质原子的偏析情况,建立溶质原子偏析与纳米晶粒尺寸稳定性之间的联系。本课题既拓展了高熵理念的应用领域,也为设计和制备具有组织和性能热稳定性的新型纳米陶瓷提供重要借鉴。
英文摘要
Nanoceramics are metastable due to the existence of large quantity of high-energy grain boundary. Grain coarsening phenomenon occurs easily under high-temperature condition, resulting in the weakening or even completely loss of nano features. To solve this problem, this study introduces high entropy grain boundary (HEGB) concept to the field of nanoceramics. Co-segregation formed by addition of multi dopants is utilized to form HEGB, which could simultaneously reduce the energy and mobility of grain boundary, and thereby improving the grain size stability of nanoceramics in both sintering and post heat treatment processes. This study will add five dopants to a ZrO2-SiO2 nanocrystalline glass-ceramic. The added dopants show strong segregation tendency at the grain boundaries of ZrO2-SiO2 nanocrystalline glass-ceramic. The glass-ceramic decorated by HEGB will be sintered by spark plasma sintering, followed by post heat treatments. The effects and mechanisms of HEGB on improving the coarsening resistance of nanograins in both sintering and post heat treatment processes will be studied. Meanwhile, the effects of HEGB on the mechanical properties of the glass-ceramic will also be investigated. Furthermore, advanced microscopy techniques will be utilized to characterize the distribution of dopants and the distribution information will be used to build the relationship between grain size stability and the distribution of dopants. This project will not only extend the application of HEGB concept, but also provides useful guidance to design and prepared novel nanoceramics that shows excellent microstructure and properties thermal stability at high temperatures.
高温条件下陶瓷中的纳米晶粒易出现热粗化现象,导致其与纳米晶粒相关的物理化学特性减弱,这是限制纳米陶瓷在高温热环境下广泛应用的关键问题。对此,本课题采用多组元共掺杂策略,通过筛选在纳米晶粒晶界处具有强烈偏析倾向的掺杂元素,使其发生共偏析形成成分复杂的高熵晶界,以提高纳米晶粒在高温条件下的尺寸热稳定性。本项目探究了各种掺杂元素和掺杂组合对ZrO2-SiO2纳米玻璃陶瓷微观结构的影响,采用先进电镜技术观察了掺杂元素的分布情况,尤其是高熵晶界内各溶质原子的偏析情况,揭示影响掺杂元素分布状态的关键因素,最终筛选五种在ZrO2晶界处具有强烈偏析倾向的掺杂元素,在快速烧结中形成了成分复杂晶界相,并验证了该晶界相在热处理过程中抑制ZrO2纳米晶粒粗化的效果,揭示了成分复杂晶界相提高ZrO2纳米晶粒尺寸热稳定性的机理。研究发现当掺杂离子的离子半径与Zr4+离子的离子半径较大时能发生晶界偏析,但掺杂浓度必须高于掺杂元素在ZrO2纳米晶粒内的固溶度。离子半径不同,化合价不同的多种掺杂离子能共同偏析于ZrO2晶界,形成成分复杂高熵晶界相,其为有序的二维超结构,其厚度约为2.5 nm。该成分复杂晶界相能够使ZrO2纳米晶粒在1000 ℃条件下保温5小时后不发生明显的粗化。一方面,该晶界相的高熵效应能降低晶界相的能量,从而降低晶粒粗化的驱动力;另一方面,由于高熵材料的迟滞扩散效应,降低晶界相的扩散速率。因此,成分复杂高熵晶界相从热力学和动力学两方面抑制ZrO2纳米晶粒的粗化。基于以上研究成果,项目负责人以第一作者或共同通讯作者发表SCI论文5篇。本项目研究成果揭示了掺杂离子在纳米晶界处发生共偏析的关键因素,将高熵这一材料设计理念拓展到了二维晶界相,为通过调控晶界相结构和成分设计和制备具有高热稳定性的纳米陶瓷提供重要借鉴。
“刚”“柔”兼备晶体-非晶异质双相纳米陶瓷的制备及其强度-塑性协同提升机制研究
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批准号:2026JJ50207
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2026
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负责人:傅乐
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依托单位:
ZrO2-SiO2 纳米玻璃陶瓷中掺杂元素在晶界和相界的“偏析竞争”和“偏析共存”
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批准号:2022JJ30718
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2022
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负责人:傅乐
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依托单位:
新型牙科种植体用ZrO2基纳米玻璃陶瓷的基础与应用研究
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批准号:2020JJ5724
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2020
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负责人:傅乐
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依托单位:
国内基金
海外基金