Materials Today：超细3D互穿珍珠质结构的金属陶瓷材料

一、【导读】

         开发新的结构材料的需求无处不在，要求材料既坚固又轻便，即具有高强度密度比，而且还具有抗断裂性，对缺陷不敏，以确保安全的使用寿命。阻尼能力也可能是一个关键特性，因为其对于减少振动和噪音同时保持结构稳定性至关重要。不幸的是，创造具有所有这些特性（即高比强度、韧性和阻尼能力）的材料的主要挑战是这些特性通常是相互排斥的，强度和韧性权衡、强度和阻尼能力之间的关系是众所周知的例子。然而，此工作提出的想法是，是否可以通过组合不同类别的材料来克服这个问题。

二、【成果掠影】

        展示了一种金属陶瓷材料，包含超细晶粒Mg-Al-Zn镁合金和超细Ti₃AlC₂陶瓷薄片。两相结构在3D空间中是双连续的和相互渗透，以分层方式交替排列，如天然珍珠质。通过将合金渗透到多孔陶瓷支架中构建的金属陶瓷，表现出超过1GPa的高抗弯强度和超过350 MPa/(g cm^-3)的高比抗弯强度（强度归一化密度）。

        ——两者均超过大多数其他块状镁（和镁合金）、陶瓷，以及它们的复合材料。

        ——以及高阻尼能力和良好的断裂韧性。架构设计策略和稳健的制造方法可能被证明对于开发新型高性能金属陶瓷材料是有效的。

      中科院金属所张哲峰教授，刘增乾博士将相关研究工作以“A strong, lightweight, and damping cermet material with a nacre-like ultrafine 3D interpenetrated architecture”为题刊登在《Materials Today》上。

三、【核心创新点】

• 该材料在密度与铝合金相当的条件下（79g·cm^-3），其室温压缩与弯曲强度均超过1GPa，即使在200°C下，其强度依然接近700MPa。
• 同时获得了超过350MPa/(gcm^-3)的超高比强度，高于绝大多数块状镁及镁合金、陶瓷以及其他金属-陶瓷复合材料。
• 表现出超过单一镁组元的优异阻尼性能以及良好的断裂韧性（16.4MPa·m^1/2）。

四、【数据概览】

图1 金属陶瓷材料的显微组织和相组成。© 2023 Elsevier Inc.

图2 金属陶瓷材料的压缩和弯曲性能。© 2023 Elsevier Inc.

图3 金属陶瓷材料的能量耗散和阻尼特性。© 2023 Elsevier Inc.

图4 金属陶瓷材料与其他材料的机械性能比较。© 2023 Elsevier Inc.

五、【成果启示】

        通过将合金熔体渗透到部分烧结的陶瓷支架中，制造了一种由超细晶粒 AZ91D 镁合金和 Ti₃AlC₂超细片晶组成的轻质、高强度和阻尼金属陶瓷材料。金属相和陶瓷相在金属陶瓷材料的3D空间中是双连续的和相互渗透的，并且像在天然珍珠质中一样以分层方式交替排列。金属陶瓷材料在室温压缩和弯曲条件下均表现出超过1 GPa的高强度，具有358±24MPa/(g cm ^-3)的高比弯曲强度。事实上，新材料的抗弯强度和比抗弯强度超过了大多数其他镁和镁合金、陶瓷和金属陶瓷材料。与AZ91D镁合金相比，这伴随着提高的高温强度、优异的断裂韧性以及在环境温度和高温下增强的阻尼能力。这种良好的性能组合使这种金属陶瓷成为许多结构应用的有吸引力的候选材料，例如需要轻质材料的承重应用以及在高应力水平下减少振动的应用。此外，这里使用的架构设计策略包括超细尺寸的成分，结合珍珠质的金属和陶瓷相排列及其在3D空间中的相互渗透。（文:早早）

     原文详情：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.12.002