非晶态玻璃缺乏长程有序微观结构，抑制了依赖于界面的增韧机制，因而表现出固有的低断裂韧性。在此，研究人员提出了一种相变驱动策略，用于原位构建多相增强相，并在不同烧结温度下制备了一系列多相氮化硼（BN）增强熔融石英复合材料。微观结构表征表明，增强相主要由立方氮化硼（cBN）、类石墨氮化硼（tBN）和六方氮化硼（hBN）组成，且具有可调控的相组成。优异的界面结合以及不同增强相之间的协同效应显著提升了熔融石英复合材料的整体性能。具体而言，cBN-tBN-hBN 的协同作用赋予复合材料最高 7.9 GPa 的显微硬度和 1576 MPa 的抗压强度；层状 tBN 和 hBN 将弯曲强度、断裂韧性、单轴压缩应变和热导率分别提升至最大值 218 MPa、2.4 MPa·m1/2、2.8% 和 7.9 W·m–1·K–1。这些数值代表相较于原始熔融石英的显著提升，达到了迄今为止报道的熔融石英及其复合材料的最高性能水平。该研究阐明了不同 BN 增强相与熔融石英复合材料整体性能之间的相关性，并为非晶态玻璃的强韧化提供了一条可行的技术路线。
**基于相变调控的多相氮化硼增强石英玻璃复合材料研究解读**
非晶态玻璃材料由于缺乏长程有序微观结构，不存在晶界、相界及析出相颗粒，导致其无法形成如裂纹桥接和裂纹偏转等依赖于微观结构界面的增韧机制，因而普遍存在断裂韧性极低的问题。熔融石英（Fused Silica）凭借其低密度、低热膨胀系数以及优异的抗热震性、耐化学腐蚀性和介电性能，在冶金、电子、航空航天及涡轮叶片铸造等领域具有广泛的应用前景。然而，其固有的脆性和较低的机械强度严重限制了其服役寿命和运行可靠性。传统的改性方法通常通过添加陶瓷颗粒或纤维进行复合增强，其中六方氮化硼（hBN）因具备低介电常数、高热稳定性和高热导率被视为理想的增强体。除 hBN 外，氮化硼（BN）还存在立方（cBN）、菱方（rBN）、纤锌矿（wBN）、类石墨（tBN）及洋葱状（oBN）等多种同素异形体。利用亚稳相前驱体在特定条件下的相变来调控复合材料的相组成和微观结构，进而优化其性能，是当前高性能材料开发的前沿策略，但在复合材料领域的应用研究尚显不足。针对上述问题，研究人员以熔融石英和 cBN 复合粉末为前驱体，利用放电等离子烧结（SPS）技术，通过调控烧结温度诱导 cBN 发生相变，成功制备了一系列多相 BN 增强的熔融石英复合材料，并系统研究了其微观结构演变、力学性能及热学性能，旨在阐明增强相相组成与材料宏观性能之间的内在联系。相关成果发表于《Journal of Materiomics》。
本研究采用的关键技术方法主要包括：首先，将高纯度 cBN 粉末与纳米级 SiO
2粉末按质量比 6:4 混合，经超声分散、真空干燥及高温烘干去除溶剂和吸附水，获得均匀混合的前驱体粉末；其次，利用放电等离子烧结（SPS）装置，在 50 MPa 压力和真空环境下，分别于 1550 °C 至 1800 °C 的六个不同温度点进行烧结，通过精确控制温度诱导 cBN 发生相变；随后，采用 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及球差校正透射电子显微镜（STEM/TEM）等手段，结合聚焦离子束（FIB）制样技术，对材料的物相组成、微观形貌及界面结构进行表征；最后，通过维氏硬度测试、三点弯曲、单边切口梁（SENB）法、单轴压缩实验以及激光闪射法（LFA）等，全面评估了复合材料的硬度、强度、韧性、压缩行为及热导率。
**3.1 从 cBN 到 hBN 的相变过程**
研究人员通过 XRD 分析发现，cBN 的相变过程分为两个阶段。第一阶段始于 1550 °C，cBN 直接转变为 tBN，未经过其他亚稳相，此阶段层状 BN 的衍射峰较宽且向低角度偏移，表明层间距较大且堆垛无序；第二阶段随温度升高，tBN 逐渐转变为 hBN，至 1800 °C 时完全转化。在 1550 °C 至 1750 °C 区间内，cBN 含量逐渐减少直至消失，而 tBN 和 hBN 含量逐渐增加。
**3.2 相组成与微观结构演变**
STEM-HAADF 图像显示，不同温度下烧结的样品中增强相组成不同：1550 °C 样品主要为 cBN 表面包裹 tBN 壳层；1600–1700 °C 样品中 cBN、tBN 和 hBN 三相共存；1750 °C 样品由 tBN 和 hBN 组成；1800 °C 样品则完全转化为大尺寸 hBN。高分辨 TEM 图像证实，不同 BN 相之间以及 BN 与石英基体之间均形成了良好的界面结合。值得注意的是，1800 °C 样品中出现了明显孔隙，导致密度急剧下降。
**3.3 力学性能**
测试结果表明，随着烧结温度升高，材料的维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性呈先升后降趋势。1600 °C 样品因含有大量高硬度 cBN 及少量 tBN/hBN 的协同作用，达到最高显微硬度 7.9 GPa。1700 °C 样品因层状 BN 含量增加，裂纹偏转效应增强，获得最大弯曲强度 218 MPa。1750 °C 样品中 cBN 完全消失，层状 BN 充分发挥增韧作用，断裂韧性达最大值 2.4 MPa·m
1/2。单轴压缩测试显示，1650 °C 样品因三相协同强化具有最高抗压强度（1576 MPa），而 1750 °C 样品因层状 BN 的层间滑移和屈曲变形能力，表现出最大的压缩应变（2.8%）。裂纹扩展路径分析证实，层状 BN 显著增加了裂纹扩展的曲折度，从而提高了增韧效果。
**3.4 热学性能**
随着烧结温度升高及高导热 hBN 含量增加，复合材料的热导率单调递增。1800 °C 烧结的样品因形成连续的 hBN 导热网络，热导率高达 7.9 W·m
–1·K
–1，约为原始熔融石英的 4 倍。尽管该温度下孔隙率增加会对热传导产生一定负面影响，但 hBN 本征高热导率的主导作用使得整体热性能显著提升。
综上所述，研究人员得出结论：通过调控亚稳态 cBN 前驱体的相变，可成功制备出具有不同 BN 相组成的熔融石英复合材料。cBN、tBN 和 hBN 的协同作用显著提升了材料的硬度和抗压强度，而层状 tBN 和 hBN 则主要贡献于弯曲强度、断裂韧性和变形能力的提升，hBN 网络的形成则大幅改善了热导率。该策略不仅使所得复合材料的多项性能指标达到迄今报道的最高水平，也为高性能非晶态玻璃的制备提供了新的理论依据和技术途径，在航空航天及高端装备制造领域展现出巨大的应用潜力。
