分层结构使得碳化硅（SiC）陶瓷具备出色的抗损伤性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Hierarchically laminated structures make SiC ceramics with excellent damage resistance

SiC陶瓷通过仿生分层结构设计提升韧性的研究。采用带铸造工艺结合石墨烯带片（GPLs）作为增强相，经热压烧结和液硅浸渍制备出层次化结构，显著提高断裂韧性和抗弯强度，分别为10.4±0.5 MPa·m?2和350.61±9.5 MPa。

　　硅碳化物（SiC）陶瓷因其独特的化学稳定性、高强度、高硬度、出色的抗氧化和耐磨性能，在航空航天工程、汽车零部件、半导体制造、耐火系统和先进防护结构等领域得到了广泛应用。然而，SiC陶瓷在实际应用中面临的一个主要问题就是其固有的脆性，这使得其在承受外力时容易发生灾难性断裂。因此，如何有效提升SiC陶瓷的断裂韧性成为材料科学领域的重要研究课题。

自然界中存在许多具有优异力学性能的生物结构，如珍珠层、骨骼结构等，这些结构通过独特的微观设计实现了强度与韧性的完美结合。例如，珍珠层具有层状结构，每一层由硬度较高的矿物颗粒和较软的有机层组成，这种结构在受到外力作用时能够有效引导裂纹路径，实现裂纹的偏转、分支和分层断裂，从而显著提高材料的韧性。受这些自然结构的启发，科学家们提出了多种仿生结构设计，以改善SiC陶瓷的力学性能。其中，层状结构因其良好的性能表现，成为研究的热点之一。

层状结构的构建方法多种多样，常见的包括流延铸造、凝胶铸造、粉末层压、3D打印、电泳沉积等。其中，流延铸造因其高效率、高精度和良好的自动化能力，成为制备层状陶瓷的重要手段。流延铸造过程中，通过将陶瓷浆料均匀涂布在基底上，形成一层薄薄的陶瓷膜，随后进行干燥、切割、叠层和烧结，最终得到具有层状结构的陶瓷材料。这种方法不仅能够实现对陶瓷结构的精细控制，还能够在一定程度上提高材料的致密度和机械性能。

在当前的研究中，为了进一步提升SiC陶瓷的断裂韧性，研究者提出了一种基于分层结构的创新设计。通过将石墨烯片层（GPLs）引入到SiC陶瓷的界面层中，构建了具有分层结构的SiC陶瓷材料。这种材料不仅在结构上具有层次感，而且在性能上表现出显著的优势。研究发现，随着烧结助剂的增加，SiC陶瓷的致密度显著提高，从3.09±0.03 g/cm3增加到3.18±0.02 g/cm3，这主要归因于玻璃相和液态硅的渗透作用。此外，这种分层结构还能够有效引导裂纹路径，使其在承受外力时能够发生多尺度的裂纹偏转、分支和分层断裂，从而显著提高材料的弯曲强度和断裂韧性。

在实验过程中，研究者首先采用流延铸造技术制备SiC陶瓷浆料，其中石墨烯片层被用作增强材料，以提高材料的机械性能。随后，通过热压和液态硅渗透工艺进行烧结，形成具有分层结构的SiC陶瓷。实验结果显示，随着烧结助剂的增加，陶瓷的致密度显著提高，这不仅改善了材料的微观结构，还增强了其整体性能。同时，这种分层结构还能够有效抑制裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。研究还发现，裂纹在不同尺度上的偏转和分支能够显著提高材料的机械性能，使其在承受外力时表现出更高的强度和韧性。

此外，研究者还探讨了不同烧结助剂对陶瓷微观结构、相组成、强度和韧性的影响。实验结果表明，烧结助剂的种类和含量对陶瓷的性能具有显著影响。例如，采用氧化铝和氧化钇作为烧结助剂时，能够有效促进陶瓷的致密化，提高其机械性能。而当采用不同的烧结工艺时，如热压和液态硅渗透，也能够显著改善陶瓷的微观结构，从而提高其断裂韧性。研究还发现，裂纹在不同尺度上的偏转和分支能够显著提高材料的机械性能，使其在承受外力时表现出更高的强度和韧性。

在实际应用中，SiC陶瓷的断裂韧性对于其性能表现至关重要。例如，在航空航天领域，SiC陶瓷被广泛应用于空间反射器等关键部件，其优异的机械性能和耐高温能力使其成为理想的选择。然而，由于SiC陶瓷的固有脆性，其在实际应用中仍面临一些挑战。因此，研究者通过引入分层结构和石墨烯片层，探索了一种新的方法来提高SiC陶瓷的断裂韧性。实验结果表明，这种分层结构能够有效引导裂纹路径，使其在承受外力时能够发生多尺度的裂纹偏转、分支和分层断裂，从而显著提高材料的机械性能。

研究还发现，这种分层结构的构建不仅能够提高SiC陶瓷的致密度，还能够显著改善其微观结构。例如，通过热压和液态硅渗透工艺，研究者能够有效控制陶瓷的微观结构，使其在烧结过程中形成均匀的分层结构。这种结构不仅能够提高陶瓷的机械性能，还能够增强其在复杂应力条件下的稳定性。此外，研究者还探讨了不同烧结助剂对陶瓷性能的影响，发现适当的烧结助剂能够有效促进陶瓷的致密化，提高其机械性能。

在实际应用中，SiC陶瓷的性能不仅受到材料本身的影响，还受到制备工艺和结构设计的制约。因此，研究者通过优化制备工艺和结构设计，探索了一种新的方法来提高SiC陶瓷的性能。例如，通过流延铸造和热压工艺，研究者能够有效控制陶瓷的微观结构，使其在烧结过程中形成均匀的分层结构。这种结构不仅能够提高陶瓷的致密度，还能够显著改善其机械性能。此外，研究者还探讨了不同烧结助剂对陶瓷性能的影响，发现适当的烧结助剂能够有效促进陶瓷的致密化，提高其机械性能。

研究还发现，这种分层结构的构建不仅能够提高SiC陶瓷的致密度，还能够显著改善其微观结构。例如，通过热压和液态硅渗透工艺，研究者能够有效控制陶瓷的微观结构，使其在烧结过程中形成均匀的分层结构。这种结构不仅能够提高陶瓷的机械性能，还能够增强其在复杂应力条件下的稳定性。此外，研究者还探讨了不同烧结助剂对陶瓷性能的影响，发现适当的烧结助剂能够有效促进陶瓷的致密化，提高其机械性能。

在实际应用中，SiC陶瓷的性能不仅受到材料本身的影响，还受到制备工艺和结构设计的制约。因此，研究者通过优化制备工艺和结构设计，探索了一种新的方法来提高SiC陶瓷的性能。例如，通过流延铸造和热压工艺，研究者能够有效控制陶瓷的微观结构，使其在烧结过程中形成均匀的分层结构。这种结构不仅能够提高陶瓷的致密度，还能够显著改善其机械性能。此外，研究者还探讨了不同烧结助剂对陶瓷性能的影响，发现适当的烧结助剂能够有效促进陶瓷的致密化，提高其机械性能。

综上所述，通过引入分层结构和石墨烯片层，研究者成功提高了SiC陶瓷的断裂韧性，使其在承受外力时能够发生多尺度的裂纹偏转、分支和分层断裂。这种设计不仅能够显著改善陶瓷的机械性能，还能够增强其在复杂应力条件下的稳定性。因此，这种分层结构的构建方法为SiC陶瓷的性能提升提供了新的思路和方向，具有重要的应用前景。