陶瓷/Al层状复合材料结合了高强度、增强的韧性和优异的抗冲击性，已被广泛用作航空航天防护和军事应用中的结构部件[1]、[2]。这些复合材料通常通过热压烧结制备，常用于简单的毫米级面板或背板[3]。然而，这种宏观层状结构往往表现出较弱的界面结合和尖锐的界面形态，在冲击载荷下容易发生界面开裂和层间剥离，从而限制了抗冲击性的进一步提高。珍珠（母贝）具有交替的软硬“砖-砂浆”微观结构，为材料在保持高强度的同时显著提高韧性提供了出色的仿生模板[4]、[5]。因此，开发模仿珍珠微观和纳米尺度砖-砂浆堆叠的陶瓷/Al层状复合材料已成为全球研究的重点，为设计具有优异强度、韧性和抗冲击性的先进复合材料提供了新的理论见解和技术途径。
迄今为止，关于冷冻铸造Al基层状复合材料的研究主要集中在Al2O3/Al[6]、SiC/Al[7]、TiC/Al[8]和B4C/Al[9]上。然而，Al2O3和B4C与Al基体的润湿性较差，而SiC、TiC和B4C容易与Al发生不利的界面反应，限制了它们作为轻质保护材料的广泛应用。另一方面，二硼化锆（ZrB2）由于其高熔点、高硬度、良好的化学稳定性和与Al基体的良好润湿性，被认为是制备陶瓷/Al层状复合材料的理想增强剂[10]、[11]。在我们之前的工作中，通过冷冻铸造结合压力渗透成功制备了类似珍珠层的ZrB2/Al-Cu层状复合材料，并表现出良好的机械性能[12]。然而，ZrB2中固有的强共价键合使其在烧结过程中难以致密化，通常在预制件中留下孔隙和缺陷，限制了性能的进一步提高[13]、[14]。此外，商业ZrB2粉末通常含有B2O3等氧化物杂质。这些杂质在高温下的蒸发-凝结行为以及相关的晶粒生长效应进一步阻碍了致密化[15]。因此，使用有效的烧结助剂来促进ZrB2的致密化并改善其整体烧结行为已成为提高这些复合材料性能的关键策略。
幸运的是，已有大量研究致力于寻找能够改善ZrB2陶瓷致密度和机械性能的有效烧结助剂[15]、[16]。氮化物添加剂（如Si3N4[17]和AlN[18]）可以通过去除起始粉末中的氧化物杂质来促进ZrB2的致密化；然而，它们的反应路径往往会产生六方氮化硼（h-BN），导致复合材料强度不足。相比之下，某些金属添加剂具有明显优势。例如，锆可以根据反应5Zr + 2B2O3(l) → 2ZrB2 + 3ZrO2去除B2O3，并且还可以与ZrB2进一步反应（Zr + ZrB2 → 2ZrB）形成稳定的ZrB相[19]。特别是ZrH2是一种非常有前途的烧结助剂，可以显著提高ZrB2陶瓷的烧结密度和微观结构完整性，因为它在高温下分解，产生活性Zr和H2。生成的Zr作为原位还原剂，而释放的H2有助于脱氧。
因此，本研究将不同量的ZrH2引入ZrB2陶瓷浆料中作为烧结助剂，制备总固含量为20体积%的水基悬浮液。通过冷冻铸造结合压力渗透制备了类似珍珠层的ZrB2/Al-Cu层状复合材料，并系统研究了ZrH2含量对烧结行为、微观结构演变和机械性能的影响。本研究旨在为可控制备轻质、高强度/韧性、抗冲击的复合材料提供理论指导和实验支持，扩展其在先进技术应用中的用途。
