复合材料是指通过适当的方法将两种或多种不同性质的材料组合而成的新材料，可提升组分材料的电学、磁学、热学、力学等性能，得到了广泛的研究。传统陶瓷-聚合物复合材料的研究主要集中在聚合物基复合材料，在制备时将陶瓷颗粒均匀分散在聚合物基体中，从而改善聚合物的结构及其性能。对于陶瓷基复合材料，常用的制备方法是先将陶瓷粉末烧结成陶瓷骨架，然后再渗入聚合物。陶瓷和聚合物之间的烧结温度差异使得在不破坏聚合物的情况下一步制造陶瓷基复合材料变得非常困难。如何将低熔点的聚合物作为一种掺杂剂，直接加入陶瓷基体中，一直都是一项困难的工作。冷烧结技术是一种新型超低温陶瓷烧结技术，在中间液相的作用下，可以将陶瓷致密化的温度降低到~300℃及以下。该技术的出现，使得聚合物作为掺杂剂直接加入陶瓷基体并一步烧结致密成为了可能。

近日，72886必赢欢迎光临材料科学与工程学院汪宏教授、郭靖特聘研究员课题组与国内外专家合作，采用冷烧结技术在300-330℃低温烧结条件下成功地将热塑性聚合物聚醚醚酮(PEEK)与半导体陶瓷ZnO复合，制备出致密的ZnO基复合材料。在制备复合材料粉末的时候，采用了两种方法，分别是溶解法和直接混合法。采用溶解法时，大尺寸PEEK颗粒可以被混合溶液溶解，冷烧结后在ZnO晶粒间形成了纳米级的晶界。而采用直接混合方法制备得到的样品在冷烧结后观察到大尺寸PEEK颗粒。通过有限元分析可以发现，ZnO的晶界以及ZnO和PEEK的界面处出现了应力集中现象，并且这些应力随着PEEK粒径的增加而增加。最终研究表明溶解法制备的95ZnO-5PEEK压敏材料在冷烧结后具有3070V/mm(@0.1 mA/mm²)的超高击穿电场。

此外，研究团队还通过冷烧结技术将PEEK与几种纳米金属氧化物集成到ZnO陶瓷基体形成复合压敏电阻。纳米尺度的混合添加剂分散在高密度的ZnO晶粒结构之间，形成肖特基势垒，显著提高了复合材料的电学性能，在0.1mA/mm²的击穿电场超过了13kV/mm¹。此外，该复合材料表现出类似于功率开关器件的“类开关效应”，具有极高的非线性系数，最高可达375。鉴于聚合物和金属氧化物掺杂剂可选择的多样性，该工作提供了一种独特的高击穿电场、高非线性系数的陶瓷基压敏材料设计方法。

图1. ZnO和不同颗粒复合的有限元模型以及仿真得到的Von-mises应力分布

图2.冷烧结样品的电学性能

ZnO-PEEK的相关工作以“Preparation of zinc oxide/poly-ether-ether-ketone (PEEK) composites via the cold sintering process”为题发表在国际材料科学领域著名期刊Acta Materialia（IF: 8.203）。后续金属氧化物、PEEK协同复合ZnO的成果以“Cold sintered composites consisting of PEEK and metal oxides with improved electrical properties via the hybrid interfaces”为题发表在国际复合材料领域著名期刊Composites Part B：Engineering（IF: 9.078）。72886必赢欢迎光临博士生司明明为论文的第一作者，郭靖特聘研究员为论文的通讯作者，合作者包括美国宾州州立大学Clive A. Randall教授和重庆大学赵学童副教授等。该工作得到了国家自然科学基金、72886必赢欢迎光临青年拔尖人才计划等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117036 (Acta Materialia)；https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109349 (Composites Part B：Engineering)