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

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

給陶瓷加“雙重防護(hù)”，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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)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(xiàng)性能，總會(huì)犧牲另一項(xiàng)，比如給陶瓷造些孔隙來阻擋聲子，讓隔熱更好，可材料強(qiáng)度會(huì)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(xué)團(tuán)隊(duì)深耕這個(gè)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(cuò)”的雙重防護(hù)，設(shè)計(jì)出釔鉭酸鹽及三釔鉭酸鹽復(fù)合陶瓷。這兩種成分的原子排列高度匹配，就像拼圖一樣嚴(yán)絲合縫，讓陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固。當(dāng)材料受到外力時(shí)，內(nèi)部的“鐵彈疇”會(huì)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(fēng)險(xiǎn)。

為了讓防護(hù)效果更上一層樓，研究團(tuán)隊(duì)采用“放電等離子燒結(jié)+高溫?zé)崽幚怼钡奶厥夤に?，在陶瓷?nèi)部制造出大量“高密度位錯(cuò)”，也就是原子排列時(shí)故意留出的“小錯(cuò)位”，如同在整齊的隊(duì)伍里設(shè)置的“減速帶”。這些位錯(cuò)密度高達(dá)每平方毫米10億到100億個(gè)，是普通陶瓷的上千倍。它們一方面能擋住裂紋擴(kuò)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(fù)合陶瓷的斷裂韌性提升了一倍多，比傳統(tǒng)常用的熱防護(hù)陶瓷結(jié)實(shí)1.4倍，徹底擺脫了“一摔就碎”的毛病。

陶瓷隔熱結(jié)實(shí)翻倍，應(yīng)用前景廣闊

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

“聲子這個(gè)‘熱量小使者’在陶瓷里傳遞熱量時(shí)，遇到密密麻麻的位錯(cuò)就像走迷宮一樣，不斷被阻擋、散射，根本跑不快?！崩ッ骼砉ご髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘教授陳琳說，這種位錯(cuò)，還會(huì)讓陶瓷內(nèi)部的原子排列產(chǎn)生微小“變形”，進(jìn)一步攔住聲子的傳播路徑，熱量自然就很難傳遞出去了。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過特殊處理后的復(fù)合陶瓷，在900℃的高溫環(huán)境下，熱導(dǎo)率最低相當(dāng)于傳統(tǒng)主流熱防護(hù)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(shí)又能像“堅(jiān)固鎧甲”一樣抵抗沖擊。

這種“又韌又隔熱”的效果，全靠團(tuán)隊(duì)對(duì)陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控：原子級(jí)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(cuò)則同時(shí)搞定了“抗裂升級(jí)”和“隔熱強(qiáng)化”，三者聯(lián)手破解了多年的行業(yè)難題。

“這項(xiàng)成果的核心亮點(diǎn)，是提出了‘高密度位錯(cuò)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(xué)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(dòng)機(jī)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(shí)，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(shí)用價(jià)值。

（受訪者供圖）