激光点火化学合成块体Al2O3-TiB2复合材料及其抗冲击性能研究

为解决传统陶瓷基复合材料制备工艺能耗高、周期长的问题，研究人员采用激光点火化学合成（LIChemS）技术，通过976 nm准连续二极管激光触发Al-TiO2-B2O3体系的自蔓延反应，成功制备高纯度Al2O3-TiB2复合材料。该材料密度达96%，维氏硬度18.14 GPa，抗压强度较单一氧化铝提升15%，为航空航天、装甲防护等抗冲击应用提供高效节能的解决方案。

　　

论文解读

在航空航天、装甲防护等领域，兼具高硬度与抗冲击性能的陶瓷基复合材料需求迫切。传统Al₂O₃-TiB₂复合材料制备依赖高能球磨、热压烧结等工艺，存在能耗高（需1873-2123 K）、周期长（8-120分钟）且易引入杂质等问题。更棘手的是，常规烧结产物密度仅50-70%，而热压工艺虽可提升至90-99%，却因TiB₂颗粒团聚导致性能不均。如何实现高效、低成本的近净成形制造，成为材料科学界的攻关难点。

为此，英国利兹大学Evangelos Daskalakis团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，创新性地提出激光点火化学合成（LIChemS）技术。该技术利用976 nm准连续激光（功率低至15 W）触发Al-TiO₂-B₂O₃体系的放热反应，通过“锁孔效应”和等离子体传播，仅需3秒即可完成块体材料合成，能耗不足传统工艺的0.1%。

关键技术方法

研究采用激光预处理（LPH）与炉内预热（FPH）结合优化原料脱水；通过紫外-可见光谱测定反应物吸收系数（33%）；利用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析相组成与微观结构；采用赫兹接触力学模型关联落球冲击试验与材料缺陷尺寸；结合牛顿冷却模型预测热应力裂纹生成。

研究结果

激光点火机制

LIChemS通过锁孔焊接现象实现能量局域化：激光聚焦点形成363 μm深腔，铝蒸气电离产生等离子体（温度达2643 K），Marangoni对流驱动熔体流动，反应波速达5 mm/s。相比传统激光点火需3225 W/mm²的阈值，该技术仅需1.13 W/mm²即可维持反应，归因于放热反应（ΔH=-1864 kJ/mol）降低能量需求。

材料特性

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  纯度控制：预处理后复合材料仅含0.1 wt.% Ti₂O₃副相，无Al-B-O杂质相。XRD显示主相为α-Al₂O₃（65 wt.%）和TiB₂（35 wt.%）。

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  致密化：氦气比重法测得骨架密度4.01 g/cm³（理论值96%），汞孔隙仪显示体密度3.83 g/cm³（92%）。CT扫描揭示预处理可减少50%的裂纹。

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  力学性能：维氏硬度18.14±0.49 GPa，断裂韧性5.8 MPa·m^1/2。66 g钢球从0.2 m高度冲击时，材料可吸收148.9 J能量而不碎裂。

冲击失效机制

赫兹模型预测缺陷尺寸与临界跌落高度的关系：当缺陷>40 μm时，14 g钢球0.65 m跌落即引发断裂。SEM显示裂纹沿Al₂O₃/TiB₂界面扩展，但界面结合强度仍优于传统烧结样品。

结论与意义

该研究开创了低功耗（<30 W）激光制备高强陶瓷的新范式：

1. 1.

   工艺革新：LIChemS将合成时间从小时级缩短至秒级，能耗降低三个数量级；

2. 2.

   性能突破：材料抗压强度（350 MPa）超越烧结氧化铝15%，且TiB₂纳米颗粒（10-600 nm）均匀分散；

3. 3.

   应用潜力：直径5-20 mm样品的成功制备证明技术可扩展性，为定制化防护装甲开发铺平道路。

未来工作需解决大体积合成时的热失控风险，但该技术已展现出替代传统高温烧结的颠覆性潜力，尤其适用于B₄C、ZrB₂等超硬材料的绿色制造。