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金屬陶瓷新突破，金屬所仿生金屬陶瓷實現輕質高強韌高阻尼

文章來源：賢集網更新時間：2023-05-29 15:11:12

開發新的結構材料的需求無處不在，要求材料既堅固又輕便，即具有高強度密度比，而且還具有抗斷裂性，對缺陷不敏，以確保安全的使用壽命。對于金屬陶瓷這類新材料，他們的阻尼系數普遍偏低，并且隨著強度提升而進一步下降。為了解決這一問題，中國科學院金屬研究所劉增乾、張哲峰團隊與國內外科研團隊合作，發明出一種新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷，該材料具有仿生材料優異的輕質、高強韌、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，人們在制作陶瓷的粘土里加了些金屬粉，因此制成了金屬陶瓷。

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的復合材料，其中后者約占15%～85vol%，當陶瓷含量高于50vol%時，亦可稱為陶瓷-金屬復合材料。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結合起來構成。

金屬陶瓷的優點及用途

金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的優點，它密度小、硬度高、耐磨、導熱性好，不會因為驟冷或驟熱而脆裂。另外，在金屬表面涂一層氣密性好、熔點高、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、高導熱性和良好的熱穩定性，又具有陶瓷的耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等特性。金屬陶瓷廣泛地應用于火箭、導彈、超音速飛機的外殼、燃燒室的火焰噴口等地方。

金屬材料和陶瓷材料是我們在航空航天、船舶、汽車、日用等行業十分常見的材料，已經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的一種新型復合材料，兼具金屬和陶瓷材料的某些優點，受到科研工作者的廣泛關注，是材料領域的研究重點之一。近年來，金屬陶瓷的研究成果越來越多，新品種不斷出現，理論體系也日趨成熟。

現有金屬陶瓷存在的缺陷

現有金屬陶瓷大都以強化相分散于連續基體相中，各相三維空間連通性較差，并且往往缺乏特定空間構型設計，難以兼具陶瓷的高強度與金屬的高韌性，同時阻尼系數普遍偏低，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并且相互貫穿，以此實現不同性能優勢的高效結合，這種巧妙結構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并且相互貫穿，以此實現不同性能優勢的高效結合。金屬所科研人員受這種巧妙結構啟發，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陶瓷薄片的擇優定向排列，最后將鎂熔體浸滲入部分燒結的多孔陶瓷骨架中，研制了具有超細尺度三維互穿類貝殼結構的新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷材料。

仿生金屬陶瓷問世

中國科學院金屬研究所的研究人員與國內外研究團隊合作，開發出一種輕質、高韌性、高阻尼性能的仿生材料——鎂-MAX類金屬陶瓷。該研究成果近日發表在《今日材料》上，并已申請了一項發明專利。

陶瓷材料之間比較

Mg -MAX類金屬陶瓷的力學性能及其與其他材料的比較，由金屬和陶瓷組成的復合材料，又稱金屬陶瓷，可以結合陶瓷和金屬的性能優勢，同時獲得輕質、高韌性和高阻尼性能。這些優異的性能對于促進結構減重、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構啟發，研究團隊選擇了兼具金屬和陶瓷特性、與鎂潤濕性良好的MAX-phase陶瓷，將其剝離成亞微米尺度的薄片，并利用真空過濾實現陶瓷薄片的最優定向排列。這樣，鎂熔體就可以滲透到部分燒結的多孔陶瓷骨架中，形成一種新的具有超細尺度三維互穿結構的鎂-MAX類金屬陶瓷材料，類似于一個殼體。

鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的微觀結構、彎曲力學性能與斷裂機制

仿金屬陶瓷優點

鎂-馬克斯類金屬陶瓷的顯微組織、彎曲力學性能及斷裂機制，在材料密度與鋁合金相當的情況下，室溫下的壓縮和彎曲強度均超過1千兆帕斯卡，即使在200攝氏度下，強度仍接近700兆帕。同時具有極高的比強度，即達到相應強度所需的材料質量極輕，高于大多數塊體鎂及鎂合金、陶瓷等金屬陶瓷復合材料。

鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的力學性能及其與其他材料的比較

適用的領域

研究團隊表示，這種材料表現出優于單一鎂成分的優異阻尼性能和良好的斷裂韌性，在承載和減振方面具有獨特優勢，有望應用于航空航天、精密儀器等領域，而這種仿生設計思想也可以為開發新型高性能金屬陶瓷提供有益啟示。科技日報沈陽1月30日電(記者郝曉明)30日，記者從中科院金屬所獲悉，該所科研人員與國內外科研團隊合作，發明了一種具有高輕質、高強度、高阻尼性能的仿生材料——鎂-MAX類金屬陶瓷。該研究成果近日發表在《今日材料》上，并已申請發明專利。

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構啟發，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相剝離成亞微米級片狀，然后通過真空過濾使陶瓷片擇優取向排列，使鎂熔體滲入部分燒結的多孔陶瓷骨架中，開發出一種具有超細尺度三維互穿殼狀結構的新型鎂-MAX仿生金屬陶瓷材料。

據介紹，新型仿生金屬陶瓷材料在密度與鋁合金(2.79g cm^-3 3)相當的條件下，其室溫壓縮和彎曲強度均超過1 GPa，即使在200攝氏度下，其強度仍接近700 MPa，明顯高于其他部件和其他鎂-陶瓷復合材料，同時獲得了350 MPa/g·cm-1以上的強度。

仿生金屬陶瓷表現出優于單一鎂組分的優異阻尼性能和良好的斷裂韌性，在承載、減振等方面具有獨特的優勢。有望應用于航空航天、精密儀器等領域，仿生設計思想也可為開發新型高性能金屬陶瓷材料提供有益啟示。

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