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科学家开发出一种高强金属陶瓷复合材料的通用加工方法
2021年02月22日 发布 分类:技术前沿 点击量:165
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软体动物贝壳最内层(珍珠层)的碳酸钙与贝壳硬蛋白形成的规整有序的“砖墙”式结构给予材料学家很多灵感,包括在开发金属陶瓷多功能复合材料的通用工艺路线方面。

日前一篇发表在scientific reports”期刊的研究成果介绍了以铁为砂浆相制备仿生复合材料的通用加工方法,通过溶胶-凝胶法将微米级的氧化铝用铁包覆,并通过磁力驱动将这些包覆氧化铝粉组装成珍珠层结构,然后外力辅助致密化,从而制备出具备磁、电、热功能的轻量化复合金属陶瓷材料,有望在运输、航空航天和机器人等领域得到应用。DOI:10.1038/s41598-021-81068-z

陶瓷

珍珠层及其微观砖墙式结构

陶瓷

珍珠层金属-陶瓷复合材料工艺路线示意

BnOH:苯甲醇,M:金属,Mox:金属氧化物,Hrot:旋转磁场,MASC:磁辅助滑动铸造,SPS:放电等离子烧结)

通过这种方法,成功地获得了铁含量高达12.4vol%的氧化铝基复合材料,同时在高温还原和烧结过程中保持了氧化铝片的形貌。在600℃以上的温度下,氧化铁与氧化铝反应生成尖晶石界面铁尖晶石。这种界面相有望改善金属相在氧化铝片表面的润湿性,从而提高复合材料的力学性能。在氧化铝片之间存在更多的球墨铸铁相,导致珍珠层结构表现出越来越大的抗裂纹扩展能力,也被称为R曲线上升行为。由于这些增韧机制,大块复合材料达到更高的机械强度和断裂韧性水平,可与文献中报道的最坚韧的珍珠层材料相媲美。除了这些显著的力学性能外,金属铁和铁尖晶石相还赋予最终的块状复合材料软磁响应和可调的电学性能。这些额外的功能使金属-陶瓷复合材料在需要轻质结构材料的应用中具有吸引力,这些材料不仅坚硬,而且对外部磁场和电场敏感。这些特性对于暴露在空间辐射中的航天器和卫星的磁屏蔽具有潜在的用途。

编译 YUXI


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