金屬所發明輕質高強韌高阻尼鎂-MAX相仿生金屬陶瓷

　　輕質高強韌高阻尼材料對促進結構減重、保障安全服役，以及提升減振、吸能、降噪等功能至關重要，在航空航天、精密儀器等領域具廣泛應用前景。金屬和陶瓷是工程應用最廣泛的兩類結構材料，陶瓷具高模量、高硬度、高熱穩定性等優點，但斷裂韌性和阻尼偏低，力學性能對缺陷較為敏感，特別是在張應力條件下強度明顯減弱。與陶瓷相比，金屬通常表現出更為優異的延展性和斷裂韌性，其中鎂和鎂合金具突出的比強度、比剛度和阻尼性能，然而，金屬的絕對強度、剛度和斷裂韌性均偏低，一定程度上限制了金屬的廣泛應用。 

　　由金屬和陶瓷組成的復合材料，又稱金屬陶瓷（cermet），有望綜合兩相的性能優勢，同步獲得輕質高強韌高阻尼性能。然而，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，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，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。 

　　近日，中國科學院金屬研究所材料使役行為研究部仿生材料設計團隊與輕質高強材料研究部及國內外科研人員合作，選用兼具金屬和陶瓷特性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，利用真空抽濾實現陶瓷薄片的擇優定向排列，將鎂熔體浸滲入部分燒結的多孔陶瓷骨架中，研制了具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，如圖1所示。該仿生金屬陶瓷材料具有以下特點：仿生空間構型，MAX相薄片擇優定向排列，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構，有助于減弱裂紋尖端的有效應力強度水平，誘導裂紋沿鎂相發生偏轉，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，連續的鎂有助于保留其高阻尼性能，連續的MAX相有助于獲得高強化效率，并且兩相在三維空間相互貫穿，促進各相內部及兩相之間的應力傳遞，減輕應力集中，延緩因各單一相或兩相界面損傷導致整體過早斷裂；超細結構尺度，鎂和MAX相的特征尺寸均在亞微米到納米范圍，實現金屬相細晶強化，同時減小MAX相中的缺陷尺寸，充分發揮陶瓷組元的強化作用，且獲得高密度（~7.5×103mm-1）的兩相界面，通過促進位錯在界面處形成與可逆運動提高阻尼性能。  

　　上述組成與結構的巧妙設計賦予仿生材料優異的輕質高強韌高阻尼性能，在密度與鋁合金相當的條件下（2.79g·cm-3），該材料的室溫壓縮與彎曲強度均超過1GPa，即使在200°C下，強度依然接近700MPa，均顯著高于各組元及其他鎂-陶瓷復合材料，同時獲得了超過350MPa/(g·cm-3)的超高比強度，高于絕大多數塊狀鎂及鎂合金、陶瓷及其他金屬-陶瓷復合材料，且仿生材料表現出超過單一鎂組元的優異阻尼性能及良好的斷裂韌性（16.4MPa·m1/2），如圖2所示。 

　　新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷在承載、減振等方面具獨特優勢，有望應用于航空航天、精密儀器等領域，該仿生設計思路也可為開發新型高性能金屬陶瓷材料提供啟示。相關研究成果發表在Materials Today，并申請了發明專利一項。  

圖1.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

圖2.鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的力學性能及其與其他材料的比較