中國粉體網(wǎng)訊 輕質(zhì)高強韌高阻尼材料對于促進結(jié)構(gòu)減重,、保障安全服役，以及提升減振、吸能,、降噪等功能至關(guān)重要,，在航空航天,、精密儀器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景,。金屬和陶瓷是工程應(yīng)用最廣泛的兩類結(jié)構(gòu)材料，陶瓷具有高模量,、高硬度,、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，但斷裂韌性和阻尼偏低,，力學(xué)性能對缺陷較為敏感,，特別是在張應(yīng)力條件下強度明顯減弱。與之相比,，金屬通常表現(xiàn)出更為優(yōu)異的延展性和斷裂韌性,，其中鎂和鎂合金具有突出的比強度、比剛度和阻尼性能,，然而,，其絕對強度、剛度以及斷裂韌性均偏低,，一定程度上限制了它們的廣泛應(yīng)用,。
由金屬和陶瓷組成的復(fù)合材料，又稱金屬陶瓷（cermet），有望綜合兩相的性能優(yōu)勢,，同步獲得輕質(zhì)高強韌高阻尼性能,。然而，現(xiàn)有金屬陶瓷大都以強化相分散于連續(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，難以兼具陶瓷的高強度與金屬的高韌性,，同時阻尼系數(shù)普遍偏低,，并且隨著強度提升而進一步下降。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,，以此實現(xiàn)不同性能優(yōu)勢的高效結(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,。
近日,，中國科學(xué)院金屬研究所材料使役行為研究部仿生材料設(shè)計團隊與輕質(zhì)高強材料研究部及國內(nèi)外科研人員合作，選用兼具金屬和陶瓷特性并且與鎂界面潤濕性良好的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,，進而利用真空抽濾實現(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,，研制了具有超細尺度三維互穿類貝殼結(jié)構(gòu)的新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷材料,，如圖1所示，
圖1：鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的微觀結(jié)構(gòu),、彎曲力學(xué)性能與斷裂機制
該仿生金屬陶瓷材料具有以下特點：
仿生空間構(gòu)型：MAX相薄片擇優(yōu)定向排列，鎂填充薄片之間的空隙,，形成類似天然貝殼的微觀軟硬交替層狀結(jié)構(gòu),，有助于減弱裂紋尖端的有效應(yīng)力強度水平，誘導(dǎo)裂紋沿鎂相發(fā)生偏轉(zhuǎn),，并通過MAX相薄片的橋接與拔出阻礙裂紋面張開,，從而起到有效的增韌作用；
兩相三維互穿：鎂和MAX相各自保持連續(xù),，連續(xù)的鎂有助于保留其高阻尼性能,，連續(xù)的MAX相有助于獲得高強化效率，并且兩相在三維空間相互貫穿,，促進各相內(nèi)部以及兩相之間的應(yīng)力傳遞,，減輕應(yīng)力集中，延緩因各單一相或兩相界面損傷導(dǎo)致整體過早斷裂,；
超細結(jié)構(gòu)尺度：鎂和MAX相的特征尺寸均在亞微米到納米范圍,，實現(xiàn)金屬相細晶強化，同時減小MAX相中的缺陷尺寸，充分發(fā)揮陶瓷組元的強化作用,，并且獲得高密度（~7.5×103mm-1）的兩相界面,，通過促進位錯在界面處形成與可逆運動提高阻尼性能。
上述組成與結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計賦予仿生材料優(yōu)異的輕質(zhì)高強韌高阻尼性能,，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度均超過1GPa，即使在200°C下,，其強度依然接近700MPa,，均顯著高于各組元以及其他鎂-陶瓷復(fù)合材料，同時獲得了超過350MPa/(g·cm-3)的超高比強度,，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，并且仿生材料表現(xiàn)出超過單一鎂組元的優(yōu)異阻尼性能以及良好的斷裂韌性（16.4MPa·m1/2）,，如圖2所示,。
圖2：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
新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷在承載、減振等方面具有獨特優(yōu)勢,，有望應(yīng)用于航空航天,、精密儀器等領(lǐng)域，該仿生設(shè)計思路也可為開發(fā)新型高性能金屬陶瓷材料提供有益啟示,。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Materials Today,，第一作者為博士研究生劉艷艷，并且申請發(fā)明專利一項（專利號：ZL202110727077.9）,。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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