近日，東華大學(xué)功能材料研究所江莞教授團(tuán)隊(duì)與日本東北大學(xué)以及上海硅酸鹽研究所緊密合作，發(fā)現(xiàn)液相燒結(jié)在提升MWCNT對(duì)陶瓷基體增強(qiáng)效果中起到關(guān)鍵性作用。相關(guān)成果以《高強(qiáng)MWCNT/SiC復(fù)相陶瓷的液相輔助工程》(Liquid-Phase Assisted Engineering of Highly Strong SiC Composite Reinforced by Multiwalled Carbon Nanotubes)為題，發(fā)表于國際知名期刊《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)。我校功能材料研究所范宇馳研究員為第一作者，上海硅酸鹽研究所宋二紅博士為共同第一作者，功能材料研究所兼職研究員羅維教授為共同通訊作者。

碳納米管以其出色的剛度、強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性被廣泛認(rèn)為是工程復(fù)合材料中最有潛力的增強(qiáng)相之一。但是，與碳納米管極高的本征強(qiáng)度相比，不論是單臂碳納米管還是多壁碳納米管（MWCNT）對(duì)基體材料的增強(qiáng)作用卻非常有限。對(duì)于MWCNT增強(qiáng)的復(fù)相陶瓷材料，碳管與基體之間缺乏化學(xué)鍵合難以實(shí)現(xiàn)高界面剪切強(qiáng)度（IFSS）是MWCNT對(duì)基體材料增強(qiáng)作用有限的主要原因之一。 此外，MWCNT嵌套管壁間極低的抗剪強(qiáng)度（ISR）可導(dǎo)致最外壁破裂而大多數(shù)內(nèi)壁完好無損，從而形成所謂的“劍-鞘”結(jié)構(gòu)進(jìn)一步弱化增強(qiáng)效果。

圖1 MWCNT的分散與復(fù)相陶瓷的液相燒結(jié)

作者利用MWCNT和陶瓷粉體的表面改性，并通過異相沉積使得極易產(chǎn)生纏繞團(tuán)聚的MWCNT與陶瓷粉體實(shí)現(xiàn)了均勻混合。在1800℃下放電等離子燒結(jié)后形成了致密的復(fù)相陶瓷，斷面清晰顯示MWCNT在經(jīng)歷高溫液相燒結(jié)后仍保持完整的結(jié)構(gòu)和形貌。掃描透射電鏡（STEM）分析證實(shí)AlYO3（YAP）相為主的液相富集于晶界，并在三叉晶界處將分散均一的MWCNT包裹起來。

圖2 MWCNT的原位拉伸及界面剪切強(qiáng)度測(cè)定

利用原位拉伸測(cè)試，作者測(cè)定了液相燒結(jié)制備的復(fù)相陶瓷中CNT的界面剪切強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)平均IFSS值高達(dá)54.1MPa, 遠(yuǎn)高于一般的陶瓷及金屬復(fù)合材料的報(bào)道值。此外，不同于一般MWCNT增強(qiáng)復(fù)相陶瓷中觀察到的明顯“劍-鞘”斷裂模式，原位拉伸測(cè)試中觀察到大多數(shù)MWCNT經(jīng)歷了完整斷裂或多數(shù)碳管壁的斷裂，說明ISR也得到了極大增強(qiáng)。

圖3 MWCNT/SiC復(fù)相陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及液相輔助增強(qiáng)機(jī)理圖

利用透射電鏡對(duì)復(fù)相陶瓷微結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)，YAP在放電等離子過程中形成液相有利于燒結(jié)壓力的傳遞，使MWCNT的徑向彈性變形大大增加，從而導(dǎo)致IFSS和嵌套壁的ISR的大大提升。高溫下液相優(yōu)異的潤濕性甚至可以滲透到MWCNT的缺陷中，形成的針狀納米顆?？ㄔ诩{米管的層間進(jìn)一步增加了MWCNT的ISR。此外，利用第一性原理計(jì)算，作者發(fā)現(xiàn)與SiC基體相比，含有氧原子面的YAP相顯示出與納米管表面石墨烯層更強(qiáng)的鍵合，這可能是IFSS增大的另一個(gè)原因。宏觀力學(xué)測(cè)試表明，與純SiC陶瓷相比，MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為3％的復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度提高30％，顯示出液相燒結(jié)輔助下MWCNT對(duì)陶瓷基體的顯著強(qiáng)化作用。該工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1002/advs.202002225