层压结构与相互渗透的3D打印技术相结合，提升了铜基复合材料的强度和导电性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Laminated Architecture with Interpenetrating 3D-Gr Enhancement of Strength and Electrical Conductivity in Cu Matrix Composites

本研究通过火花等离子烧结制备了BN-ZrO?基复合材料，并添加多尺度SiC颗粒。结果表明，该材料弯曲强度、断裂韧性和维氏硬度分别达到257 MPa、2.81 MPa·m1/2和1.55 GPa，较基线提升125.4%、75.6%和474%。性能提升源于晶粒细化、界面强化及裂纹偏转机制，同时磨损率降低57.5%，氧化和腐蚀抵抗性增强，适用于连铸连轧侧坝。

　　

黄洪燕|王恒|舒家丽|梁雄|朱天斌|范丽霞|桑少白|李亚伟

中国武汉科技大学先进耐火材料国家重点实验室，武汉430081

摘要

基于氮化硼（BN）的复合材料被认为是双辊薄带连续铸造和轧制工艺的首选候选材料。在本研究中，通过火花等离子烧结技术制备了一种新型BN-ZrO₂复合材料，该复合材料添加了多尺度碳化硅（SiC）颗粒——其中粗颗粒作为结构骨架，细颗粒有助于提高材料的致密度和晶粒细化程度。所得复合材料的弯曲强度、断裂韧性和维氏硬度分别为257 ± 9.2 MPa、2.81 ± 0.06 MPa·m^1/2和1.55 ± 0.06 GPa，相比基材样品分别提高了125.4%、75.6%和474%。这些性能提升归因于晶粒细化和界面强化作用，以及粗SiC颗粒对裂纹的偏转作用和BN对裂纹的桥接作用。此外，耐磨性的提高与材料从脆性断裂向涉及粘着、氧化和磨损的混合磨损机制的转变有关，从而使磨损率降低了57.5%，降至1.09 × 10^-3 mm³ N^-1 m^-1。同时，氧化抗性的增强得益于相对密度的提高以及连续致密的SiO₂氧化层的形成，有效抑制了氧的扩散。优化的耐腐蚀性则是由于多尺度SiC颗粒的协同作用，有效减少了SiC与熔融钢之间的反应。

引言

双辊薄带连续铸造是一种先进的带钢生产工艺，具有生产流程简化、成本降低和能源效率提高等优点[1]、[2]、[3]。在该工艺中，侧挡板对确保工艺稳定性和安全性至关重要，直接影响产品质量和运行效率。在实际使用过程中，侧挡板既要承受与铸造辊和凝固钢壳的摩擦磨损，又要承受熔融钢的腐蚀和高温氧化[4]、[5]。为了满足严格的运行要求，用于侧挡板的复合材料必须具备优异的机械性能、耐磨性、抗氧化性和抗熔融钢腐蚀性[6]、[7]、[8]。

六方氮化硼（h-BN）因其不与熔融钢发生润湿作用、具有高温自润滑能力、优异的耐热震性和出色的加工性能而被广泛认为是制作侧挡板的理想材料[9]、[10]、[11]。然而，由于其独特的层状结构，h-BN的致密度较低，导致烧结性能较差，机械性能也相对较低[12]、[13]、[14]。现有研究表明，在BN复合材料中加入氧化锆（ZrO₂）可显著提升其机械性能[15]、[16]和抗熔融钢腐蚀性[17]、[18]。但BN与ZrO₂之间的热膨胀系数（CTE）不匹配会导致应力集中和微裂纹的产生[19]。Kumar等人[20]指出，在BN-ZrO₂复合材料中引入SiC可以有效缓解CTE不匹配的负面影响，并进一步提升机械性能[21]、[22]。不过，SiC的引入可能会降低材料对熔融钢的耐腐蚀性[4]、[23]，因此同时提升机械性能和服务性能仍是一个挑战。

众所周知，颗粒尺寸对陶瓷材料的致密度和机械性能具有重要影响。通常在烧结过程中使用纳米颗粒来控制晶粒生长并保持微观结构的完整性。然而，在单一粒径的陶瓷复合材料中，纳米颗粒的聚集和大颗粒与基体之间的弱界面结合仍然是亟待解决的问题。先前的研究表明，调整SiC增强剂的粒径可以有效提升铝基复合材料的机械性能[24]、[25]、[26]、[27]。具体而言，刘等人[28]发现晶间和晶内纳米SiC_p的协同强化作用能够同时提高铝基复合材料的强度和延展性。周等人[29]发现双晶Ti（C, N）在TaC改性陶瓷基体中的存在可以通过粗晶裂纹桥接提高韧性，通过细晶细化提高硬度。

受这些研究的启发，本研究提出了添加多尺度SiC颗粒的BN-ZrO₂复合材料，旨在利用协同效应优化机械性能和服务性能，同时克服传统BN-ZrO₂复合材料的局限性。最终通过1700°C下的火花等离子烧结制备了添加了40 nm、500 nm和2 μm尺寸SiC颗粒的BN-ZrO₂复合材料，并对其致密度行为、相组成、微观结构、机械性能（包括强度、韧性和硬度）以及服务性能（包括耐磨性、抗氧化性和抗熔融钢腐蚀性）进行了系统研究。预期这种新型BN-ZrO₂复合材料将在机械性能和服务性能方面实现同步提升。

部分内容摘录

BN-ZrO₂复合材料的制备

本研究使用了市售的h-BN粉末（粒径约100 nm，纯度≥99.9%）、m-ZrO₂粉末（粒径约20 nm，纯度≥99.9%）以及不同粒径的β-SiC粉末（粒径约40 nm、500 nm和2 μm，纯度≥99.9%）。添加了多尺度SiC颗粒的复合材料称为BZ-Graded SiC，其余复合材料则根据β-SiC颗粒的粒径分别命名为BZ-40 nm SiC、BZ-500 nm SiC和BZ-2 μm SiC。BN-ZrO₂的详细成分设计如下：

BN-ZrO₂复合材料的表征

图1全面展示了BN-ZrO₂复合材料的微观结构和相组成。通过球磨工艺实现了h-BN和ZrO₂颗粒的均匀分散，ZrO₂颗粒附着在h-BN颗粒表面（图1a）。加入SiC增强剂后，40 nm的SiC颗粒在h-BN颗粒表面均匀分布且没有明显聚集（图1b），而500 nm和2 μm的SiC颗粒保持了原有的形态。

结论

本研究通过火花等离子烧结技术制备了添加了多尺度SiC颗粒的BN-ZrO₂复合材料，其中粗颗粒作为结构骨架，细颗粒有助于提高材料的致密度和晶粒细化程度。主要研究结果如下：

• (1)
  该复合材料的弯曲强度、断裂韧性和维氏硬度分别为257 ± 9.2 MPa、2.81 ± 0.06 MPa·m^1/2和1.55 ± 0.06 GPa。这些性能的提升主要归因于

作者贡献声明

黄洪燕：撰写初稿、数据整理。朱天斌：撰写、审稿与编辑。梁雄：软件处理。舒家丽：方法设计、数据分析。王恒：撰写、审稿与编辑、资金争取、概念构思。桑少白：撰写、审稿与编辑。范丽霞：结果验证。李亚伟：指导。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52002293）和湖北省中央引导地方科技发展专项基金（项目编号2025CSA017）的支持。