《JMST》在线发表太原理工大学宋金鹏/苏州实验室周延春联合上海晨华科技股份有限公司:超声辅助热压烧结B4C致密化机理和晶粒生长动力学

原文题目：Ultrasonic-assisted hot pressing (UAHP): Densification mechanisms and grain growth kinetics of B₄C

期刊：Journal of Materials Science & Technology

发表时间：July 21, 2026

文章链接：https://authors.elsevier.com/a/1nTmH3aX7Ld0kn

Cite this article:

Zhuo Wang, Jinpeng Song, Ming Lv, Jiaojiao Gao, Bo Xu, Kuang Sun, Xiong Niu, Wei Xu, Guoxing Liang, Yanchun Zhou. 

Ultrasonic-assisted hot pressing (UAHP): Densification mechanisms and grain growth kinetics of B₄C. 

J. Mater. Sci. Technol. DOI:10.1016/j.jmst.2026.06.066

文章DOI: 10.1016/j.jmst.2026.06.066

近日，来自太原理工大学机械工程学院宋金鹏教授团队/苏州实验室周延春教授团队联合上海晨华科技股份有限公司，在Journal of Materials Science & Technology 上在线发表题为“Ultrasonic-assisted hot pressing (UAHP): Densification mechanisms and grain growth kinetics of B₄C”的研究文章。文章阐述了超声辅助热压（UAHP）烧结B₄C的致密化机理、晶粒生长激活和位错演变规律。

    功率超声波是一种兼具高频振动与高能量密度的先进制造技术，可以产生声流、空化、声致软化、局部摩擦升温以及周期性交变应力等多重效应。凭借其独特的优势，功率超声波已广泛应用于材料焊接、塑性加工、增材制造和粉末冶金的等领域。近年来，UAHP在降低烧结温度、提高材料致密度和优化力学性能等方面展现出巨大的应用潜力，为难烧结陶瓷致密化提供新思路。然而，UAHP的致密化机制和晶粒生长动力学缺乏系统、定量的研究。

针对这一问题，文章系统地研究了UAHP烧结B₄C陶瓷的致密化行为、晶粒长大动力学、位错演化规律和力学性能，并与传统热压（HP）进行了系统对比，揭示UAHP烧结B₄C致密化和晶粒生长的内在机制。研究结果表明，UAHP将B₄C塑性变形的阈值温度降低100°C，使致密化激活能降低约17%，在晶粒生长过程中由表面扩散主导，有效抑制高温晶粒粗化。此外，超声振动在中温阶段促进错形核和增殖，在高温阶段加速动态回复，实现了位错结构的动态调控。该研究深化了对UAHP烧结机理的认识，为高性能陶瓷材料的低温、高效制备提供了理论依据和技术指导。

    图1图片摘要：文章阐明了超声辅助热压（UAHP）烧结B₄C的致密化行为、晶粒生长动力学和位错   演变规律。

2.1 UAHP烧结炉和超声系统示意图

该研究使用的UAHP烧结炉由上海晨华科技股份有限公司自主研发。超声系统的工作原理如下：超声波发生器将50 Hz的交流电转变为20 kHz的电信号，随后超声波换能器将电信号转变为20 kHz的机械振动，并通过变幅杆和下压头将超声振动传递给粉料，最终在温度场、压力场和超声场的协同作用下实现材料快速致密。

图2 (a) 该研究使用的UAHP设备，(b) 超声系统的示意图。

2.2 UAHP和HP制备B₄C的烧结路径

在相同的致密度下，UAHP获得更细小的晶粒；在相同的烧结条件下，UAHP能够实现更高的致密度。尤其在较低的烧结温度下，UAHP显著加快B₄C由多孔状态想致密状态的转变，同时有效抑制晶粒长大。随着烧结温度进一步提高，UAHP制备样品的晶粒尺寸对烧结温度的依赖性较弱，表明超声振动在实现致密的同时可以抑制晶粒粗化。相较于传统HP，UAHP可以在更低的温度下实现完全致密，并获得更加细小的微观形貌。

图3 采用(a) UAHP和(b) HP制备B₄C的烧结路径。

2.3 致密化机理和TEM图像验证

基于稳态蠕变模型，该研究利用有效应力指数分析不同条件下的致密化机理。在1650°C时，UAHP和HP的致密化机理均为粘性流动。在1750°C时，UAHP的致密化机理由晶界扩散转变为位错主导的塑性变形，而HP则由晶界扩散转变为位错主导的晶界滑移。随着温度升高，UAHP和HP均以塑性变形主导致密化机理。研究结果表明UAHP可以将B₄C塑性变形的阈值温度从1850°C降低至1750°C，降低了100°C。TEM结果证实了1750°C下UAHP样品中存在大量位错、孪晶和层错，验证了其塑性变形机制。进一步分析表明，UAHP将B₄C的致密化激活能从313 ± 32 kJ/mol降低到259 ± 25 kJ/mol，说明超声振动可以有效增强物质传输，降低烧结过程中的能量障碍，从而促进材料致密化。

图4 采用(a) UAHP和(b) HP在1650–1950 °C制备B₄C的有效应力指数。采用UAHP在1750 °C保温180 min制备B₄C的TEM图像：(c) B₄C晶粒TEM明场像，其中包含层错(SFs)、孪晶和位错；(d) 图4(c)中Ⅰ区域的HRTEM图像及沿[1(—)11]经带轴的选区电子衍射谱(SAED)，孪晶界(TBs)平行于(01(—)1)晶面，(e) 图4(c)中Ⅱ区域的HRTEM图像及沿[1(—)00]经带轴的SAED花样，(f) 图4(e)中Ⅲ区域的位错滑移和攀移方向。(g) UAHP和(h) HP的相对密度vs.致密化速率。(i) 当n=1时，采用UAHP和HP制备B₄C的致密化激活能。

2.4 晶粒生长动力学

在1850–1950°C下，UAHP制备B₄C的晶粒生长机理为表面扩散为主。表面扩散可以增强物质传输，但不促进晶界迁移，因此超声振动可以抑制晶粒过度粗化。而HP制备B₄C的晶粒生长机理从表面扩散转变为晶界扩散，这种转变促进晶界迁移，导致高温下晶粒粗化。在表面扩散控制晶粒生长的条件下，随着保温时间延长，UAHP的晶粒生长激活能从521 ± 83 kJ/mol降低到208 ± 42 kJ/mol，而HP的晶粒生长激活能为(586–663) kJ/mol。

图5 采用UAHP在(a) 1850°C, (b) 1900°C, (c) 1950°C, 和HP在(d) 1850°C, (e) 1900°C, (f) 1950 °C制备B₄C的晶粒生长动力学。采用(g) UAHP和(h) HP制备B₄C的晶粒生长激活能。

2.5 位错密度演变规律

基于XRD结果，使用修正的Williamson-Hall方法计算UAHP和HP制备B₄C的位错密度。随着烧结温度升高，UAHP和HP制备B₄C的位错密度均呈现先增加后降低的趋势，在1750°C达到峰值。不同之处在于，UAHP工艺的位错密度下降更为显著，而HP工艺的位错密度逐渐下降并趋于稳定。在中等温度下，超声振动产生的高频周期应力和声致软化效应导致晶格发生紊乱，促进位错的形核和增殖。在高温下，超声振动增强位错的迁移率，从而促进位错的重排和湮灭，导致位错减少。因此，超声振动在烧结过程中对位错发挥双重调控作用：中温阶段促进位错产生，高温阶段促进动态回复。

图6 (a)采用UAHP和HP在1650–1950 °C保温30 min制备B₄C的XRD图谱。采用修正的Williamson-Hall方法计算 (b) UAHP和(c) HP制备B₄C的位错密度。(d) 位错密度的演变。

2.6 力学性能对比

在相同的烧结条件下，与传统HP相比，UAHP制备的B₄C具有更高的抗弯强度和维氏硬度。随着烧结温度提高和保温时间延长，材料致密度不断增、孔隙率持续降低，因此材料的抗弯强度和硬度得到明显提升。当烧结温度过高或保温时间过长时，材料的力学性能下降。因此，合理控制烧结温度和保温时间是充分发挥UAHP优势、获得高性能B₄C陶瓷的关键因素。

图7采 用UAHP和HP在1650–1950 °C保温30–180 min制备B₄C的(a) 抗弯强度和      (b)维氏硬度。

王卓（第一作者），太原理工大学机械工程学院博士研究生。主要研究方向为超声辅助热压技术和高性能陶瓷材料的制备。目前以第一作者在Journal of Advanced Ceramics、Journal of Materials Science & Technology、Ceramics International等期刊发表多篇学术论文。

宋金鹏（通讯作者），太原理工大学教授/博士生导师，主要从事超声技术、高效加工及数控刀具技术、智能制造技术及先进制造理论与技术。主持国家自然科学基金年和面上项目、山西省高等学校科技创新项目、山西省科技厅成果转化专项等科研项目6项。以第一或通讯作者发表学术论文60多篇，授权发明专利20余件。

周延春，1985年毕业于清华大学，1988和1991年在中科院金属所获得硕士和博士学位。主要从事高温陶瓷及复合材料的多层次结构设计、制备和性能研究。发现了20多个新化合物并确定了它们的晶体结构。发表SCI论文500多篇，被引用32600多次，H因子97，列斯坦福大学2021年材料领域世界前2%学者第146位，入选爱思唯尔1999-2025年中国高被引学者。获中科院院长奖学金特别奖、国家科技进步二等奖、辽宁省自然科学一等奖、美国陶瓷学会GlobalStar奖、美国陶瓷学会Bridge Building奖，国际衍射数据中心（ICDD）特别贡献奖等奖励。1999年获国家杰出青年基金，2010年当选美国陶瓷学会会士（Fellow）和世界陶瓷科学院院士，2013年当选亚太材料科学院院士。主要学术兼职有美国陶瓷学会工程陶瓷部国际委员会主席（2009-2010），世界陶瓷科学院顾问委员会委员(2010-2014)，世界陶瓷科学院选举委员会委员（2010-2014），美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy奖励委员会主席（2015），美国陶瓷学会Jeppson奖励委员会委员（2018），美国陶瓷学会出版委员会主席（2018），美国陶瓷学会工程陶瓷部提名委员会主席（2015-2016），中国硅酸盐学会特陶分会副理事长（2008-）。Extreme Materials创刊主编，J.Adv.Ceram.和现代技术陶瓷主编；J.Mater.Sci.Tech.,J.Am.Ceram.Soc.及J.Mater.Res.等国际期刊的Editor。