中科院金屬所研發(fā)新型仿生金屬陶瓷

編輯：轉(zhuǎn)自：先進(jìn)陶瓷展發(fā)布時(shí)間：2023-02-10

輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、高阻尼材料對(duì)于促進(jìn)結(jié)構(gòu)減重、保障安全服役，以及提升減振、吸能、降噪等功能具有重要作用，在航空航天、精密儀器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。記者1月30日從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所科研人員與國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)明出一種具有高輕、高強(qiáng)、高阻尼性能的仿生材料——鎂-MAX相仿生金屬陶瓷。該研究成果近日在《Materials Today》發(fā)表并已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利。

由金屬和陶瓷組成的復(fù)合材料又稱(chēng)為金屬陶瓷。金屬陶瓷綜合了陶瓷和金屬的性能優(yōu)勢(shì)，并可同步獲得輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、高阻尼性能，但現(xiàn)有金屬陶瓷大多以強(qiáng)化相分散于連續(xù)基體相中，各相三維空間連通性較差。

“由于缺乏特定空間構(gòu)型設(shè)計(jì)，金屬陶瓷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。”中科院金屬所科研人員介紹。

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能保持連續(xù)并且相互貫穿，以此可實(shí)現(xiàn)不同性能和優(yōu)勢(shì)的高效結(jié)合。受這種巧妙結(jié)構(gòu)啟發(fā)，中科院金屬所科研人員選用了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，再利用真空抽濾實(shí)現(xiàn)陶瓷薄片的擇優(yōu)定向排列，從而將鎂熔體浸滲入部分燒結(jié)的多孔陶瓷骨架中，研制出具有超細(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。

據(jù)介紹，新型仿生金屬陶瓷材料在密度與鋁合金相當(dāng)?shù)臈l件下(2.79g·cm-3)，其室溫壓縮與彎曲強(qiáng)度均超過(guò)1GPa，即使在200攝氏度下，其強(qiáng)度依然接近700MPa，均顯著高于各組元以及其他鎂-陶瓷復(fù)合材料，同時(shí)獲得了超過(guò)350MPa/(g·cm-3)的超高比強(qiáng)度，高于絕大多數(shù)塊狀鎂及鎂合金、陶瓷以及其他金屬-陶瓷復(fù)合材料。

據(jù)悉，新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷表現(xiàn)出超過(guò)單一鎂組元的優(yōu)異阻尼性能以及良好的斷裂韌性，在承載、減振等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望應(yīng)用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域，且該仿生設(shè)計(jì)思路也可為開(kāi)發(fā)新型高性能金屬陶瓷材料提供有益啟示。

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