到目前为止，陶瓷科学家已经设计出各种方法来阻止晶粒粗化。利用纳米级前驱体粉末不仅可以促进致密化过程，而且与微米级前驱体粉末相比，还可以生产出晶粒尺寸较小的块状陶瓷。

快速烧结绕过低温表面扩散阶段，通过快速升温直接进入高温烧结阶段，是抑制晶粒粗化的有效方法，但上述策略在纳米陶瓷应用于中高温环境时，仍无法防止晶粒粗化。

引入第二相还可以增强纳米晶粒的热稳定性。通过钉扎晶界 (GB) 并降低其流动性，第二相可有效抑制粗化。然而，实现第二相的均匀分布具有挑战性，这可能会对其他性能造成不利影响。

研究表明，晶界中的溶质偏析会降低晶界能量并削弱晶粒生长的驱动力。然而，大多数已报道的研究仅研究了一两种溶质原子的添加，限制了晶界能量降低的程度。因此，需要进一步探索以充分了解和利用溶质偏析作为一种策略的潜力。

近日，中南大学付乐教授团队提出了一种通过构建多种掺杂剂共偏析的GB复合物来抑制晶粒粗化的有效策略，该团队于2024年3月28日在《先进陶瓷杂志》上发表了相关研究成果。

为了论证该策略的可行性，将多种选定的掺杂剂掺杂到ZrO 2 -SiO 2纳米微晶玻璃陶瓷(NCGC)中形成GB复合物，表征了多种掺杂剂共偏析的GB复合物的微观结构，并讨论了GB复合物抑制粗化的潜在机制。

在本报告中，研究人员旨在构建多元素共偏析的晶界复合物。第一个也是最重要的问题是选择掺杂剂。已经证明，晶界偏析在很大程度上受到掺杂剂阳离子和宿主阳离子的离子半径和价态的影响。对于与宿主 Zr +4离子(84.0 pm)具有较大离子半径失配(ε)的掺杂剂离子，它们将被推向晶界，而不是溶解在 ZrO 2晶格中。

此外，ZrO 2晶界带正电，价态低于+4的掺杂离子会在晶界处形成负空间电荷云，也会增强掺杂离子的晶界偏聚趋势。综合考虑以上两个标准，研究人员选取了Cs +、Ba +2、La +3、Ca +2、Al +3离子五种掺杂离子，它们与基质Zr +4离子均具有较大的ε ，且价态均低于+4。

因此，从理论上讲，它们应该在 ZrO 2晶界处共同偏析。”中南大学材料科学与工程学院副教授傅教授说，他的研究兴趣集中在陶瓷领域。

“我们利用TEM技术对GB复合物进行了表征，发现Y、Ca、Ba和La元素在GB复合物中表现出明显的偏析，厚度为2.5纳米。同时，在GB复合物上形成了晶格条纹，表明GB复合物是晶体超结构。此外，我们还利用原子探针断层扫描(APT)在原子尺度上对GB复合物进行了完整的三维重建，这大大增强了我们对GB复合物三维微观结构的理解，”傅说。

为了研究GB络合物对ZrO 2 NCs晶粒粗化行为的影响，对多元素共掺杂和未掺杂的65%ZrO 2 -35%SiO 2样品进行了不同温度退火处理，以未掺杂样品为对照组。烧结态样品中ZrO 2 NCs的平均值为40.8nm。

“与烧结态样品中的ZrO 2 NCs尺寸相比，1200 ºC 退火样品中的 ZrO 2 NCs 尺寸增加了 117.6%，表明 ZrO 2 NCs 表现出非常强的粗化动力学。相比之下，与多元素共掺杂样品中的烧结态 ZrO 2 NCs 尺寸相比，1200 ºC 退火样品中的 ZrO 2 NCs 尺寸仅增加了 19.8%，表明 GB 络合物对 ZrO 2 NCs 的强抗粗化性做出了贡献，”傅说。

然而，多元素共掺杂样品中发生了液相烧结，导致共掺杂样品中烧结态ZrO 2 NCs的尺寸远大于未掺杂样品中的尺寸。未来的工作可以集中在优化掺杂剂以避免液相烧结的发生。

其他贡献者包括来自加拿大麦克马斯特大学的 Gabriel Arcuri 和 Kathryn Grandfield;来自中南大学材料科学与工程学院的于文君、雷子华和邓颖;来自中国清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的王博涵。

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