项目名称：    陶瓷相变与韧化及相关基础研究

推荐单位：    黑龙江省

项目简介：    本项目属于材料科学与技术领域，无机非金属材料学科先进陶瓷材料专业方向的基础性研究。主要内容包括ZrO2基陶瓷相变机理，ZrO2、Al2O3、Si3N4及sialon复合材料的韧化机理及相关基础研究成果。

一、ZrO2基陶瓷相变研究：率先深入研究并首先系统阐明了ZrO2-Y2O3(CeO2)陶瓷中c-t扩散型相变、c-t无扩散型相变及t-m相变的过程机理与相变产物的微观组织特征；在国内外首先报道了ZrO2-Y2O3陶瓷的c-t扩散型相变产物中的两种分别具有类L12和类L10结构的新相，并确定出其原子结构模型及形成机理。

二、ZrO2、Al2O3基陶瓷材料的韧化机理与工艺研究：提出了相变韧化，微裂纹韧化及残余应力韧化等多重复合韧化机理及其晶粒尺寸效应的理论。揭示了晶须和ZrO2协同韧化作用，使ZrO2基陶瓷材料的力学性能达到了同类材料目前公开报导的最高水平。

三、Si3N4与Sialon复合材料及α-Sialon自韧化研究：成功实现了Si3N4的第二相强化和α-Si3N4棒晶的原位强化，通过工艺及成分的优化促进晶间相的完全晶化，显著提高了复合材料的高温性能。系统研究了成分、掺杂稀土的类型及烧结工艺对α-Sialon晶粒形貌的影响规律。在国际上首先将玻璃陶瓷添加到sialon陶瓷中,成功实现了材料制备过程中玻璃陶瓷促进α-sialon棒晶的原位生成和自身的完全晶化，解决了sialon陶瓷中残留玻璃相导致其高温性能显著下降的难题，提高材料的使用温度。

四、LiTaO3压电陶瓷增韧Al2O3基结构复合材料研究：率先将LiTaO3颗粒加入Al2O3基体中，揭示了压电陶瓷颗粒中铁电相变及电畴翻转与基体中裂纹扩展的交互作用韧化机理，提出结构陶瓷韧化的新途径。

本研究成果出版专著《陶瓷材料学》并在J. Am. Ceram. Soc.，J. Mater. Res.等国际国内著名刊物上发表论文110余篇，被国内外学者引用近470余次，SCI收录50篇，EI收录37篇。英国学者W. E. Lee也将该相变研究成果写入他的专著中。Ceramics International杂志论文中的图片作为该杂志的封面。

主要发现点：  1. 率先系统阐明了ZrO2-Y2O3(CeO2)陶瓷中c-t扩散型相变、c-t无扩散型相变及t-m相变的过程机理与相变产物的微观组织特征；在国内外首先报道了ZrO2-Y2O3陶瓷的c-t扩散型相变产物中的两种分别具有类L12和类L10结构新的有序结构相，并确定出其原子结构模型及形成机理；进而丰富了陶瓷相变理论；(材料的组织、结构、缺陷与性能科学)(代表性论文1、2、3、4)

2. 率先提出了ZrO2(Y2O3)陶瓷相变韧化、微裂纹韧化及残余应力韧化等多重复合韧化机理及其晶粒尺寸效应理论，使材料强度与韧性同时大幅度提高;(结构陶瓷学；材料的组织、结构、缺陷与性能科学)(代表性论文5)

3. 揭示了晶须和ZrO2及片晶和Si3N4的协同强韧化作用及其机理，使ZrO2和Si3N4 基复合材料的强度和韧性同时大幅度提高, 达到了同类材料目前公开报导的最高水平。 (结构陶瓷学；无机非金属基复合材料)(代表性论文9)

4. 在国际上首先将玻璃陶瓷添加到sialon陶瓷中,成功实现了材料制备过程中玻璃陶瓷促进α-sialon棒晶的原位生成和自身的完全晶化，圆满地解决了sialon陶瓷中残留玻璃相导致其高温性能显著下降的难题。实现了材料的自韧化, 大幅度提高材料的高温力学性能, 具有国际领先水平； (结构陶瓷学；无机非金属基复合材料)(代表性论文6)

5. 首次发现时效过程中自韧α-sialon陶瓷中的发生相晶粒由棒状 等轴状的转变而导致材料力学性能的显著下降, 为α-sialon的结构热稳定的研究提出了新的方向。 (结构陶瓷学；材料的组织、结构、缺陷与性能科学)(代表性论文7)

6. 提出采用压电LiTaO3颗粒增韧Al2O3结构陶瓷的新途径，揭示了压电陶瓷颗粒中铁电相变及电畴翻转与基体中裂纹扩展的交互作用韧化机理。 (结构陶瓷学；无机非金属基复合材料)(代表性论文8)

主要完成人：  1.   周玉

整个项目研究的总体负责人，主要贡献：方案设计和整体负责，特别在主要发现点1、2和3做出了创造性的贡献。深入研究并首先系统阐明了ZrO2基陶瓷c-t扩散型相变的过程机理及相变产物微观结构；建立了c-t无扩散相变原子位移模型，给出原子位移方向、电子衍射强度与孪晶变体的对应关系，并得到试验证实；阐明了上述陶瓷中t-m相变的形核与长大机制及转变动力学，给出了TTT图，丰富了陶瓷相变理论；提出了相变韧化，微裂纹韧化及残余应力韧化等多重机制复合韧化机理和不同尺寸晶粒产生不同韧化机制的理论，使氧化锆基陶瓷ZrO2(Y2O3)的强度韧性同时大幅度提高。在该项研究中的工作量占本人工作量的70%。

2.   雷廷权

项目的主要负责人。在主要发现点1、2和3做出了创造性的贡献，系统阐明了ZrO2-Y2O3(CeO2)陶瓷中c-t扩散型相变、c-t无扩散型相变及t-m相变的过程机理与相变产物的微观组织特征；揭示了晶须和ZrO2及片晶和Si3N4的协同强韧化作用及其机理，使ZrO2和Si3N4 基复合材料的强度和韧性同时大幅度提高, 达到了同类材料目前公开报导的最高水平。在该项研究中的工作量占本人工作量的60%。

3.   叶枫

项目的主要负责人，在主要发现点4和5做出了创造性的贡献。在国际上首先将玻璃陶瓷添加到sialon陶瓷中,成功实现了材料制备过程中玻璃陶瓷促进 -sialon棒晶的原位生成和自身的完全晶化，圆满地解决了sialon陶瓷中残留玻璃相导致其高温性能显著下降的难题。实现了材料的自韧化, 大幅度提高材料的高温力学性能, 具国际领先水平；发现时效过程中自韧 -sialon陶瓷中的发生 相晶粒由棒状等轴状的转变而导致材料力学性能的显著下降, 为 -sialon的结构热稳定的研究提出了新的方向。在该项研究中的工作量占本人工作量的70%。

4.   林广涌

主要负责ZrO2基陶瓷的第二相强韧化，在主要发现点3做出了创造性的贡献。揭示了晶须与ZrO2的复合韧化作用及其机理，使ZrO2基材料的力学性能大幅度提高, 达到了同类材料公开报导的最高水平。在该项研究中的工作量占本人工作量的60%。

5.   饶建存

主要负责ZrO2基陶瓷的相变微结构的电镜分析，在主要发现点1做出了创造性的贡献。在国内外首先发现并报道了ZrO2-Y2O3陶瓷的c-t扩散型相变产物中的两种分别具有类L12和类L10结构新的有序结构相，并确定出其原子结构模型及形成机理，丰富了陶瓷相变理论；在该项研究中的工作量占本人工作量的55%。

10篇代表性论文：  1.   Diffusionless Cubic-to- Tetragonal Transition and Microstructural Evolution in Sintered Zirconia-Yttria Ceramics. /Journal of American Ceramic Socity

2.   Diffusional Cubic-to- Tetragonal Phase Trans- formation and Microstructural Evolution in ZrO2-Y2O3 Ceramics./Journal of Materials Science

3.   L12 - and L10-Like Cation-Ordered Structures in ZrO2-Y2O3 Ceramics./Journal of Materials Research

4.   Kinetics of Isothermal Transition from Tetragonal to Monoclinic Phase in ZrO2 (3mol%Y2O3) Ceramic./ Materials Chemistry and Physical

5.   Microstructure and Mechanical Properties of ZrO2-2mol%Y2O3 Ceramics. /Ceramics International

6.   Self-Reinforced Y-a-Sialon Ceramics with Barium Aluminosilicate as an Additive. /Journal of Materials Research

7.   Effect of the Amount of Additives and Post-Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Yttrium-α-Sialon Ceramics. /Journal of America Ceramic Society

8.   Microstructure and Mechanical Properties of a Lithium Tantalate-Dispersed- Alumina Ceramic Composite. /Ceramics International

9.   Microstructure and Mecha- nical Properties of SiC Whiskers Reinforced ZrO2 (2mol%Y2O3) Based Composites. /Ceramics International

10.  专著《陶瓷材料学》，科学出版社