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中科院金屬所研發(fā)新型仿生金屬陶瓷

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)布時間：2023-02-10
    輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、高阻尼材料對于促進(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日從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所科研人員與國內(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)表并已申請發(fā)明專利。

    由金屬和陶瓷組成的復(fù)合材料又稱為金屬陶瓷。金屬陶瓷綜合了陶瓷和金屬的性能優(yōu)勢，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。
     據(jù)悉，新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷表現(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，在承載、減振等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，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)思路也可為開發(fā)新型高性能金屬陶瓷材料提供有益啟示。