金屬所發(fā)明一種輕質(zhì)高強(qiáng)韌高阻尼鎂-MAX相仿生金屬陶瓷

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(diǎn)，但斷裂韌性和阻尼偏低，力學(xué)性能對(duì)缺陷較為敏感，特別是在張應(yīng)力條件下強(qiáng)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(qiáng)度、比剛度和阻尼性能，然而，其絕對(duì)強(qiáng)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(shì)，同步獲得輕質(zhì)高強(qiáng)韌高阻尼性能。然而，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。

近日，中國(guó)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(jì)團(tuán)隊(duì)與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部及國(guó)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(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，該仿生金屬陶瓷材料具有以下特點(diǎn)：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(qiáng)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(qiáng)化效率，并且兩相在三維空間相互貫穿，促進(jìn)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(xì)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(shí)現(xiàn)金屬相細(xì)晶強(qiáng)化，同時(shí)減小MAX相中的缺陷尺寸，充分發(fā)揮陶瓷組元的強(qiáng)化作用，并且獲得高密度（~7.5×103mm-1）的兩相界面，通過促進(jìn)位錯(cuò)在界面處形成與可逆運(yùn)動(dòng)提高阻尼性能。

上述組成與結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)賦予仿生材料優(yōu)異的輕質(zhì)高強(qiáng)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(qiáng)度均超過1GPa，即使在200°C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，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。

新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷在承載、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，該仿生設(shè)計(jì)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(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)（專利號(hào)：ZL202110727077.9）。

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(jī)制

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

審核編輯 ：李倩