本研究由Siyong Gu、Zhikai Xu、Houan Zhang等学者联合完成，分别来自厦门理工学院福建省功能材料与应用重点实验室、厦门市粉末冶金技术与先进材料重点实验室、北京科技大学新材料技术研究院等单位，成果发表于《Ceramics International》期刊2024年第50卷（2023年10月在线发表）。

学术背景

该研究属于先进陶瓷材料领域，聚焦于氮化铝-氮化硼（AlN-BN）复合陶瓷的制备与性能优化。随着5G通信、LED器件等高功率密度应用场景对散热材料性能要求的提升，兼具高导热性和复杂形状加工能力的AlN陶瓷成为研究热点。然而纯AlN陶瓷存在硬度高、断裂韧性低的问题，而传统添加六方氮化硼（h-BN）虽能改善加工性能，却因h-BN的层状结构易形成孔隙缺陷和定向排列，导致材料密度低且力学性能呈现显著各向异性（取向偏差指数|IOP|≫1）。为此，研究团队提出通过引入立方氮化硼（c-BN）作为增强相，利用其高温相变特性解决上述问题。

研究流程与实验方法

1. 材料制备

   • 原料处理：采用纯度>99%的AlN、c-BN和h-BN粉末（粒径分别为1.14μm、0.5μm、4μm）按不同比例混合（具体配比见表2），通过尼龙球磨罐湿法球磨5小时，干燥过筛后获得复合粉体。
     
   • 热压烧结：在氮气氛围下，1850℃、20MPa压力条件保温5小时，制备Φ70mm×35mm圆柱状样品。通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）验证c-BN向h-BN的完全相变及微观结构演变。
     

2. 性能测试

   • 力学性能：将样品切割为35×4×3mm³的三类取向试件（σ≡、σ⊥、σ‖），通过三点弯曲法测试抗弯强度，每组重复10次。采用维氏硬度仪测量不同取向硬度，SEM观察裂纹扩展路径。
     
   • 各向异性表征：通过取向偏差指数IOP= (I₁₀₀/I₀₀₂)⊥/(I’₁₀₀/I’₀₀₂)‖ 定量分析h-Bn的定向排列程度，|IOP|越接近1表明各向异性越低。
     
   • 微观结构分析：透射电镜（TEM）揭示c-BN相变形成的”洋葱状”h-Bn（晶面间距0.333nm）与传统层状h-Bn的结构差异。

主要结果

1. c-BN的相变行为：在1550℃起始相变，1850℃完全转化为”洋葱状”h-BN，其体积膨胀有效填充孔隙（图5-6）。SEM显示添加15% c-Bn的样品（15C10H）孔隙率最低，相对密度达峰值（图9-10）。
   
2. 力学性能提升：
   
   • 抗弯强度呈现σ≡>σ⊥>σ‖的各向异性，但c-BN添加显著改善性能：15C10H的σ≡和σ⊥分别达362MPa和340MPa，较未添加样品（0C25H）提高20.5%和15.6%；25C0H的σ‖提升136.6%至239MPa（图13）。
     
   • TEM观察到”洋葱状”h-BN通过桥联、裂纹偏转等机制实现全方位增韧（图11-12）。
     
3. 各向异性调控：|IOP|从0C25H的170降至25C0H的2.7，表明c-BN衍生的无序结构h-BN有效抑制了取向排列（图7-8）。

结论与价值

1. 科学价值：首次证实c-BN作为增强相可通过”洋葱状”h-BN相变实现AlN-BN陶瓷的孔隙填充与各向异性协同调控，为多功能陶瓷设计提供新思路。
   
2. 应用价值：所制备的15C10H样品兼具高抗弯强度（>340MPa）和低各向异性（|IOP|≈3），满足高功率电子器件散热基板对力学性能和加工精度的双重需求。

研究亮点

1. 创新方法：利用c-BN高温体积膨胀特性实现陶瓷原位致密化，突破传统h-BN添加导致的”卡房式”孔隙结构限制。
   
2. 关键发现：发现”洋葱状”h-BN的等轴晶结构可同时提升‖方向强度（+136.6%）和降低|IOP|两个数量级。
   
3. 技术突破：通过相变工程调控第二相形貌，为陶瓷材料的强度-各向异性权衡难题提供解决方案。
   

补充价值

研究团队开发的低温致密化工艺（1850℃）相较于传统h-BN陶瓷烧结温度（>2000℃）具有显著节能优势，符合绿色制造趋势。该成果获福建省自然科学基金（2023J011449）支持。