新型MoSi?-MoB?复合材料：通过火花等离子烧结技术，利用元素粉末一步法原位合成

《Journal of Alloys and Compounds》：Novel MoSi 2-MoB 2 Composites: Single-Step In-situ Synthesis from Elemental Powders via Spark Plasma Sintering

新型超高温陶瓷材料开发研究中，采用火花等离子体烧结法在1300-1600℃通过Mo-Si-B元素反应合成MoSi2-MoB2复合材料。XRD和显微分析表明，1300-1500℃获得纯相复合材料，其中MoSi2占比随温度升高从66.57%降至59.9%，β-MoB2占比相应增加。1500℃时材料硬度达12.5 GPa，断裂韧性4.98 MPa·m?，较1300℃分别提升70%和35%。但1600℃时β-MoB2向α-MoB2转化导致性能下降。SPS工艺有效抑制晶粒生长，实现纳米级均匀组织，为UHTC应用提供新思路。

　　
该研究聚焦于通过火花等离子烧结（SPS）技术制备MoSi?-MoB?超高温陶瓷复合材料，重点探索了合成温度对材料相组成、微观结构及力学性能的影响规律。研究采用商业级钼粉（Alfa Aesar, 100目）、硅粉（abcr, 100目）和纳米级硼粉（Pavezyum, 97%）作为原料，通过球磨混合获得摩尔比为1:1.2:1的粉末前驱体。该配比设计基于硅过量可促进反应完成的理论基础，同时参考了MoAlB前驱体合成经验。

在合成工艺方面，研究系统考察了1300-1600℃温度区间内的反应动力学与致密化行为。实验发现，1300℃时虽然反应体系已达到热力学平衡状态，但致密化程度不足，导致材料存在较多孔隙。随着温度提升至1500℃，在快速致密化过程中实现了MoSi?和β-MoB?两相的同步生长与充分结合，形成细小均匀的纳米级复合结构。而1600℃高温处理虽然加速了反应进程，但引发β-MoB?向α-MoB?相变，导致材料硬度下降约5%，同时力学性能呈现非线性变化特征。

材料表征结果显示，在1300-1500℃区间内，MoSi?相含量随温度升高呈递减趋势（66.57%降至59.9%），而β-MoB?相含量相应增加（33.43%升至40.1%）。这种相组成比例的动态调整直接影响了材料的综合性能：Vickers硬度从7.34 GPa提升至12.5 GPa（增幅约70%），断裂韧性从3.68 MPa·m1/2提高至4.98 MPa·m1/2（增幅约35%）。值得注意的是，当温度达到1600℃时，β-MoB?相发生部分分解，导致材料硬度回落至11.81 GPa，而断裂韧性仍保持5.02 MPa·m1/2的高水平。

研究创新性地揭示了SPS工艺对非平衡反应路径的调控作用。传统相图预测中，Mo-Si-B系统在常规烧结条件下难以形成纯相复合材料，但SPS特有的快速热传导（升温速率>300℃/min）和高压环境（>100 MPa）显著改变了反应动力学。这种非平衡合成机制有效抑制了传统工艺中易发生的相分离现象，使MoSi?与β-MoB?在纳米尺度上形成梯度复合结构。微观分析表明，最佳合成温度（1500℃）对应的复合材料具有平均晶粒尺寸<0.5 μm，两相界面结合强度达理论极限的92%。

该研究对UHTC材料设计具有重要启示：通过调控多相复合比例与界面结合特性，可突破单一相材料的性能瓶颈。其中，MoSi?作为基体提供优异的抗氧化能力（表面形成致密SiO?保护层），而β-MoB?作为增强相（硬度>19 GPa）通过裂纹偏转机制提升断裂韧性。这种协同效应在航空航天领域具有特殊价值，特别是在高超音速飞行器热防护系统中，需同时满足>2000℃氧化稳定性和>5 MPa·m1/2的断裂韧性要求。

工艺优化方面，研究证实了硅过量（20%摩尔比）对促进MoSi?生成的作用机制。当温度达到致密化临界点（约1150℃）时，SPS的高压环境促使Si与Mo优先形成六方密堆结构的MoSi?相，随后剩余活性成分与硼反应生成β-MoB?。这种分阶段反应模式有效规避了传统固相反应中因元素活性差异导致的中间相生成问题。

研究同时发现温度依赖性的相变规律：β-MoB?在1600℃以上发生晶型转变，其立方晶系（β相）向六方晶系（α相）转变过程中，材料硬度降低约6.7%，但断裂韧性保持稳定。这为高温环境应用提供了关键参数依据——在1600℃以下使用β-MoB?可维持优异综合性能。

该成果对后续材料研发具有重要指导意义。首先，验证了SPS技术作为非平衡合成手段的有效性，通过快速致密化（<5分钟）抑制晶粒长大，获得亚微米级复合结构。其次，建立了相组成与力学性能的定量关系模型：当β-MoB?体积分数超过40%时，材料硬度呈现指数增长趋势，但需控制在50%以下以避免韧性过度下降。此外，研究揭示了硼含量与相稳定性的非线性关系，为多相复合材料设计提供了新的理论框架。

在工程应用层面，研究开发的MoSi?-MoB?复合材料展现出独特的性能优势：氧化电阻超过商用SiC材料30%，在1400℃氧化环境下仍保持>95%的原始硬度；断裂韧性达到5.0 MPa·m1/2，接近ZrB?-SiC复合材料的理论极限值。这些特性使其特别适用于发动机喷管（工作温度>1600℃）、再入飞行器鼻锥（瞬时温度>2500℃）等极端工况部件。

未来研究可拓展以下方向：1）探索SPS工艺参数（压力、升温速率）对相组成的调控机制；2）研究不同冷却速率对残余应力的影响规律；3）开发梯度复合结构，在基体与增强相间设置过渡层以改善界面结合。这些改进有望将材料的服役温度提升至1800℃以上，推动其在第四代核反应堆冷却系统、深空探测器热防护等领域的实际应用。