基于材料挤出技术的高强度抗热震ZrO2陶瓷支架制备与性能研究

本研究针对高温极端环境对陶瓷材料性能的严苛需求，通过材料挤出技术成功制备出3 mol% Y2O3稳定的ZrO2基陶瓷支架。通过系统优化浆料流变特性、打印参数与烧结工艺，获得微观结构细化、力学性能显著提升的支架材料。在50%填充率和1400℃烧结条件下，材料体积密度达1.25 g·cm?3，弯曲强度高达136.45 MPa，热震后残余强度保持率超80%，并观察到独特的晶须状结构，为航空航天领域高性能陶瓷应用提供重要技术支撑。

　　

在航空航天、能源装备等高温极端环境领域，传统金属材料往往难以承受剧烈的温度变化和机械负荷。氧化锆(ZrO₂)陶瓷因其优异的高温稳定性、化学惰性和力学性能被视为理想候选材料，但常规制备方法存在的结构精度低、抗热震性能不足等问题，严重制约了其工程化应用。特别是在热循环工况下，陶瓷材料易因热应力集中导致开裂失效，如何通过创新制备工艺实现高强度与抗热震性能的协同提升，成为亟待突破的技术瓶颈。

发表于《Materials Characterization》的研究工作通过材料挤出（Material Extrusion）技术，开创性地制备出具有精细微观结构和卓越性能的ZrO₂基陶瓷支架。该研究以3 mol% Y₂O₃稳定的ZrO₂为原料，酚醛树脂为粘结剂，通过三重优化策略——浆料流变学调控、打印参数精确控制与烧结工艺协同优化，成功解决了传统陶瓷增材制造中存在的缺陷控制难题。值得注意的是，研究人员在热震试验后观察到独特的晶须状表面结构，这为揭示陶瓷材料的热损伤修复机制提供了全新视角。

关键技术方法包括：1）采用流变学改性技术制备高固含量、高均匀性陶瓷浆料；2）通过多参数耦合调控实现支架结构的精确挤出成型；3）采用分阶段烧结工艺（最高温度1400℃）控制晶粒生长与致密化过程；4）通过水淬法（Water Quenching）进行热震试验评估性能稳定性。

材料制备与表征

通过系统优化粘结剂含量与塑化剂配比，获得具有剪切稀变特性的打印浆料。在打印层厚0.4 mm、填充速率50%条件下，成功制备出结构完整的绿色坯体。经脱脂与烧结处理后，陶瓷支架显示出高度致密的微观结构，孔隙分布均匀。

力学性能分析

三点弯曲测试表明，1400℃烧结试样弯曲强度达到136.45 MPa，显著高于常规方法制备的ZrO₂陶瓷（通常<100 MPa）。断口分析显示细晶强化效应是强度提升的主要机制，平均晶粒尺寸控制在0.5-1.0 μm范围。

热震性能评估

在1100℃至室温的水淬热震循环中，陶瓷支架表现出卓越的性能稳定性。经过20次循环后，残余强度保持率仍超过80%，远高于商业ZrO₂陶瓷的典型值（50-60%）。扫描电镜观察发现，热震后材料表面生成大量晶须状结构，这种自适应微观结构有效抑制了裂纹扩展。

微观机制研究

通过X射线衍射（XRD）和显微拉曼光谱分析，证实热震过程中发生的相变增韧效应是性能稳定的关键因素。Y₂O₃稳定剂的均匀分布有效抑制了高温相变导致的体积效应，同时表面晶须结构通过能量耗散机制提升裂纹扩展阻力。

该研究证实通过材料挤出技术结合工艺优化，可实现ZrO₂基陶瓷强度与抗热震性能的同步提升。其创新性在于：1）建立了多尺度协同调控的制备技术体系；2）发现了热震诱导形成的晶须状自增强结构；3）阐明了相变增韧与微观结构演变的耦合机制。研究成果不仅为高性能陶瓷支架的制备提供了新范式，更在航空航天发动机热端部件、核反应堆隔热材料等领域展现出广阔应用前景。特别是材料在热震环境下表现出的自适应性结构特征，为设计新一代智能陶瓷材料提供了重要启示。