纳米尺寸效应辅助制备高压压稳相ZrO2

　　ZrO2是一种具有优异机械性能的高硬度材料，在电子、航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用。常规条件下，ZrO2以单斜结构（MI相）存在，高压下则具两种正交结构（OI和OII相）。这些高压相具有更低的可压缩性，是潜在的新型高硬度材料。然而，理论预测具有更优异力学性能的OI相，是难以保持至常压条件下的。如何获得常压下稳定的OI相ZrO2仍是一项具有挑战性的课题。吉林大学超硬材料国家重点实验室的一个研究组结合纳米尺寸效应和高压手段成功制备出常压条件下稳定的OI相结构ZrO2纳米颗粒。相关的研究成果发表在2016年的《Nanoscale》上。 

　　该研究小组发现高压下不同尺寸的ZrO2纳米颗粒展现出截然不同的相变过程。100-300 nm的粗晶纳米颗粒具有与体材料相同的高压相变序列（MI-OI-OII）；而~5 nm的超细纳米颗粒则只发生了MI-OI的相变，向OII相的转变被抑制。卸压过程中，粗晶纳米颗粒和超微纳米颗粒分别保持OII相和OI相至常压常温条件。研究指出纳米尺寸效应能够有效调控材料的高压结构相变行为，显著地提高了OI相的结构稳定性，抑制了高压OII相的形成。这是首次获得纯OI相结构ZrO2。 

　　图1 不同压力下~5 nm OI相ZrO2纳米颗粒的XRD谱。插图为原始样品的TEM图片。 

　　该课题组利用北京同步辐射装置（BSRF）4W2-高压实验站的X射线衍射 (XRD)和1W1B-XAFS实验站的X射线吸收精细结构谱技术，研究了高压下不同尺寸ZrO2纳米颗粒的结构转变规律。发现了尺寸效应调控的高压相变序列，在~5 nm的超微纳米颗粒中成功捕获了高压亚稳OI相。揭示了超微纳米颗粒的高表面能导致OI-OII相变的能量势垒显著升高，并抑制了OII相的生成。MI相超微纳米颗粒具有比粗晶颗粒更高的体弹模量。这些结果表明减小材料的尺寸有利于进一步提高其力学性能。 

　　这个研究为认识纳米材料的独特相变规律和新奇物理特性提供了科学依据。在该研究工作中，同步辐射光源帮助该课题组实现了高压下ZrO2纳米颗粒结构演化的原位研究。该课题组组长、吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授指出：“纳米尺度下可以获得常规体材料中难以实现的新结构和新性质，为探索新型功能材料提供了新思路。然而，纳米材料的结构研究受其信号强度的影响，难以利用常规手段进行精确的表征。因此，高亮度的同步辐射光束线将有助于进一步研究纳米材料的结构相变规律”。

　　发表文章： 

　　Quanjun Li, Huafang Zhang, Ran Liu, Bo Liu, Dongmei Li, Lirong Zheng, Jing Liu, Bo Zou,  Tian Cui, and Bingbing Liu*, Nanosize effects on the high pressure phase transitions of ZrO2, Nanoscale, 8 (2016), 2412-2417.