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金屬陶瓷新突破，金屬所仿生金屬陶瓷實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)韌高阻尼
文章來(lái)源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2023-05-29 15:11:12
開(kāi)發(fā)新的結(jié)構(gòu)材料的需求無(wú)處不在，要求材料既堅(jiān)固又輕便，即具有高強(qiáng)度密度比，而且還具有抗斷裂性，對(duì)缺陷不敏，以確保安全的使用壽命。對(duì)于金屬陶瓷這類(lèi)新材料，他們的阻尼系數(shù)普遍偏低，并且隨著強(qiáng)度提升而進(jìn)一步下降。為了解決這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所劉增乾、張哲峰團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)明出一種新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷，該材料具有仿生材料優(yōu)異的輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、高阻尼性能。



金屬陶瓷材料


為了使陶瓷既可以耐高溫又不容易破碎，人們?cè)谥谱魈沾傻恼惩晾锛恿诵┙饘俜?，因此制成了金屬陶瓷?/span>


金屬陶瓷，是一種由金屬或合金和一種或幾種陶瓷相所組成的非均質(zhì)的復(fù)合材料，其中后者約占15%～85vol%，當(dāng)陶瓷含量高于50vol%時(shí)，亦可稱(chēng)為陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。金屬陶瓷(Cermet/Ceramet)是由陶瓷(Ceramics)中的詞頭Cer/Cera與金屬(Metal)中的詞頭Met結(jié)合起來(lái)構(gòu)成。



金屬陶瓷的優(yōu)點(diǎn)及用途


金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，它密度小、硬度高、耐磨、導(dǎo)熱性好，不會(huì)因?yàn)轶E冷或驟熱而脆裂。另外，在金屬表面涂一層氣密性好、熔點(diǎn)高、傳熱性能很差的陶瓷涂層，也能防止金屬或合金在高溫下氧化或腐蝕。金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導(dǎo)熱性和良好的熱穩(wěn)定性，又具有陶瓷的耐高溫 、耐腐蝕和耐磨損等特性。金屬陶瓷廣泛地應(yīng)用于火箭、導(dǎo) 彈、超音速飛機(jī)的外殼、燃燒室的火焰噴口等地方。


金屬材料和陶瓷材料是我們?cè)诤娇蘸教?、船舶、汽?chē)、日用等行業(yè)十分常見(jiàn)的材料，已經(jīng)融入到我們的方方面面。金屬陶瓷作為金屬材料和陶瓷材料研發(fā)的一種新型復(fù)合材料，兼具金屬和陶瓷材料的某些優(yōu)點(diǎn)，受到科研工作者的廣泛關(guān)注，是材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。近年來(lái)，金屬陶瓷的研究成果越來(lái)越多，新品種不斷出現(xiàn)，理論體系也日趨成熟。



現(xiàn)有金屬陶瓷存在的缺陷


現(xiàn)有金屬陶瓷大都以強(qiáng)化相分散于連續(xù)基體相中，各相三維空間連通性較差，并且往往缺乏特定空間構(gòu)型設(shè)計(jì)，難以兼具陶瓷的高強(qiáng)度與金屬的高韌性，同時(shí)阻尼系數(shù)普遍偏低，并且隨著強(qiáng)度提升而進(jìn)一步下降。自然界中的貝殼、骨骼等天然生物材料各組成相在三維空間均保持連續(xù)并且相互貫穿，以此實(shí)現(xiàn)不同性能優(yōu)勢(shì)的高效結(jié)合，這種巧妙結(jié)構(gòu)可為研制新型高性能金屬陶瓷材料提供重要啟示。


自然界中的貝殼、骨骼等天然生物材料各組成相在三維空間均保持連續(xù)并且相互貫穿，以此實(shí)現(xiàn)不同性能優(yōu)勢(shì)的高效結(jié)合。金屬所科研人員受這種巧妙結(jié)構(gòu)啟發(fā)，選用兼具金屬和陶瓷特性并且與鎂界面潤(rùn)濕性良好的MAX相陶瓷作為組元，利用含氧氣氛下的可控球磨工藝將MAX相剝離成亞微米尺度薄片，進(jìn)而利用真空抽濾實(shí)現(xiàn)陶瓷薄片的擇優(yōu)定向排列，最后將鎂熔體浸滲入部分燒結(jié)的多孔陶瓷骨架中，研制了具有超細(xì)尺度三維互穿類(lèi)貝殼結(jié)構(gòu)的新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷材料。


仿生金屬陶瓷問(wèn)世


中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的研究人員與國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)出一種輕質(zhì)、高韌性、高阻尼性能的仿生材料——鎂-MAX類(lèi)金屬陶瓷。該研究成果近日發(fā)表在《今日材料》上，并已申請(qǐng)了一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。


陶瓷材料之間比較


Mg -MAX類(lèi)金屬陶瓷的力學(xué)性能及其與其他材料的比較，由金屬和陶瓷組成的復(fù)合材料，又稱(chēng)金屬陶瓷，可以結(jié)合陶瓷和金屬的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)獲得輕質(zhì)、高韌性和高阻尼性能。這些優(yōu)異的性能對(duì)于促進(jìn)結(jié)構(gòu)減重、保證使用安全、提高減振、吸能、降噪等功能非常重要。


受自然界中貝殼、骨骼等天然生物材料的巧妙結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)選擇了兼具金屬和陶瓷特性、與鎂潤(rùn)濕性良好的MAX-phase陶瓷，將其剝離成亞微米尺度的薄片，并利用真空過(guò)濾實(shí)現(xiàn)陶瓷薄片的最優(yōu)定向排列。這樣，鎂熔體就可以滲透到部分燒結(jié)的多孔陶瓷骨架中，形成一種新的具有超細(xì)尺度三維互穿結(jié)構(gòu)的鎂-MAX類(lèi)金屬陶瓷材料，類(lèi)似于一個(gè)殼體。



鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、彎曲力學(xué)性能與斷裂機(jī)制

仿金屬陶瓷優(yōu)點(diǎn)


鎂-馬克斯類(lèi)金屬陶瓷的顯微組織、彎曲力學(xué)性能及斷裂機(jī)制，在材料密度與鋁合金相當(dāng)?shù)那闆r下，室溫下的壓縮和彎曲強(qiáng)度均超過(guò)1千兆帕斯卡，即使在200攝氏度下，強(qiáng)度仍接近700兆帕。同時(shí)具有極高的比強(qiáng)度，即達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所需的材料質(zhì)量極輕，高于大多數(shù)塊體鎂及鎂合金、陶瓷等金屬陶瓷復(fù)合材料。



鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的力學(xué)性能及其與其他材料的比較

適用的領(lǐng)域


研究團(tuán)隊(duì)表示，這種材料表現(xiàn)出優(yōu)于單一鎂成分的優(yōu)異阻尼性能和良好的斷裂韌性，在承載和減振方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望應(yīng)用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域，而這種仿生設(shè)計(jì)思想也可以為開(kāi)發(fā)新型高性能金屬陶瓷提供有益啟示?？萍既?qǐng)?bào)沈陽(yáng)1月30日電(記者郝曉明)30日，記者從中科院金屬所獲悉，該所科研人員與國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)明了一種具有高輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高阻尼性能的仿生材料——鎂-MAX類(lèi)金屬陶瓷。該研究成果近日發(fā)表在《今日材料》上，并已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利。


仿金屬性能


受自然界中貝殼、骨骼等天然生物材料的巧妙結(jié)構(gòu)啟發(fā)，中科院金屬所研究人員選擇了兼具金屬和陶瓷特性、與鎂潤(rùn)濕性良好的MAX-phase陶瓷作為組分。利用含氧氣氛下的可控球磨工藝，將MAX相剝離成亞微米級(jí)片狀，然后通過(guò)真空過(guò)濾使陶瓷片擇優(yōu)取向排列，使鎂熔體滲入部分燒結(jié)的多孔陶瓷骨架中，開(kāi)發(fā)出一種具有超細(xì)尺度三維互穿殼狀結(jié)構(gòu)的新型鎂-MAX仿生金屬陶瓷材料。


據(jù)介紹，新型仿生金屬陶瓷材料在密度與鋁合金(2.79g cm^-3 3)相當(dāng)?shù)臈l件下，其室溫壓縮和彎曲強(qiáng)度均超過(guò)1 GPa，即使在200攝氏度下，其強(qiáng)度仍接近700 MPa，明顯高于其他部件和其他鎂-陶瓷復(fù)合材料，同時(shí)獲得了350 MPa/g·cm-1以上的強(qiáng)度。


仿生金屬陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)于單一鎂組分的優(yōu)異阻尼性能和良好的斷裂韌性，在承載、減振等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。有望應(yīng)用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域，仿生設(shè)計(jì)思想也可為開(kāi)發(fā)新型高性能金屬陶瓷材料提供有益啟示。

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