高强韧冷烧结α-石英/纳米金刚石复合材料：突破传统结构陶瓷性能瓶颈的创新策略

本研究针对冷烧结陶瓷(CSP)机械性能不足的瓶颈问题，通过纳米金刚石(NDs)引入1.2 GPa级局部预应力，开发出具有结构陶瓷级性能的α-石英复合材料。在500 MPa压力下，材料断裂韧性达(3.65±0.21)MPa·m1/2 (提升180%)，维氏硬度10.6 GPa(提升80%)，疲劳寿命超1000次循环，为低温制备高性能结构陶瓷提供了变革性方案。

　　

传统陶瓷烧结需1000°C以上高温，能耗高且易破坏材料本征结构。冷烧结工艺(CSP)虽能将温度降至300°C以下，但机械性能始终落后于高温烧结陶瓷——如冷烧结氧化锆硬度仅0.5 GPa，不足传统方法的5%。这一瓶颈严重制约CSP技术在结构陶瓷领域的应用。

为解决该难题，中国的研究团队创新性地提出"预应力增强"策略：将超高模量的纳米金刚石(NDs)引入α-石英基质，利用冷烧结过程中NDs与基质间的模量差异产生1.2 GPa级局部预应力。相关成果发表于《Journal of Materiomics》。

研究采用酸处理NDs后通过原位复合构建核壳结构ND@α-石英粉体，采用5 mol/L NaOH辅助的冷烧结工艺(300°C/500 MPa)，结合X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)和拉曼光谱定量分析应力分布，通过维氏压痕和小冲杆试验评估力学性能，并利用阻抗谱分析介电性能变化。

【微观结构与预应力工程】
TEM显示NDs均匀镶嵌于连续石英基质中，形成马赛克结构。拉曼位移证实NDs承受>1.2 GPa压应力，XRD衍射峰宽化揭示石英基质存在179 MPa拉应力。这种应力双相分布源于冷烧结时NDs(弹性模量1220 GPa)对石英(72 GPa)的刚性约束。

【力学性能与增强机制】
500 MPa烧结的复合材料展现突破性性能：

1. 断裂韧性达3.65 MPa·m^1/2
   ，较纯石英提升180%
2. 维氏硬度10.6 GPa，超越多数高温烧结陶瓷
3. 抗压强度540 MPa，提升90%
   SEM显示裂纹在NDs周围发生明显偏转，形成锯齿状路径。R曲线分析揭示预应力诱导的裂纹桥接效应是增韧主因，而NDs的物理约束和石英位错(HRTEM证实)共同提升硬度。

【功能特性调控】
介电测试发现：

• 低频介电常数随预应力增加而上升，源于石英压电极化增强
• 晶界电阻降低50%，与预应力中和界面陷阱电荷相关
  这种"力学-电学性能耦合"效应为多功能陶瓷设计提供新思路。

结论表明，该研究首次实现冷烧结陶瓷力学性能对标高温烧结产品，突破性地通过预应力工程同时提升韧性、硬度和疲劳寿命。NDs的均匀分散(48 vol%)和结构稳定性控制，以及NaOH辅助的低温致密化工艺，为开发耐损伤结构陶瓷开辟新途径。尽管材料尚不适用于高温环境，但在电子器件、传感器等领域展现出巨大应用潜力，其预应力调控策略可拓展至其他陶瓷体系。

（注：全文数据均源自原文，作者包括Peng Yan、Mingming Si等，通讯作者为Yuchi Fan和Wan Jiang）