【科普系列】金属与陶瓷“强强联合”---金属陶瓷层状复合材料

      金属材料、陶瓷材料与有机高分子材料被称为现代社会三大固体工程材料。其中金属材料因其拥有优异的韧性、良好的导电传热性，而被广泛应用在工程机械的关键零部件和结构件中，但耐腐性能差、易氧化、高温强度较低等缺点限制了金属材料的发展。陶瓷材料的高硬度、高强度及其拥有的极佳的耐磨损、耐腐蚀、耐高温等特性使其在金属冶炼、石油化工、航空航天及新能源等领域拥有着极其广阔的应用前景；但陶瓷材料本身所固有的脆性，导致了陶瓷材料作为结构件在使用时面临着可靠性差、抗破坏能力差等一系列致命伤，极大地限制了陶瓷材料的应用和进一步的发展。

      材料的层状结构是一种仿生学设计，自然界中贝壳的珍珠层正是一种层状复合结构的产物。如图1所示，贝壳中的珍珠层，是由一层层超薄的碳酸钙通过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起。在其体积中约有95%是碳酸钙，而有机蛋白仅仅占据了5%，可恰恰是这5%的有机蛋白的存在，引起了贝壳力学性能的巨大改变。碳酸钙是一种很脆且易碎的物质，但是有机蛋白基连接而成的层状碳酸钙组成的贝壳珍珠层却具有很强的韧性。这种结构启发人们在高强度低塑性或者低耐蚀性材料外附加一层具有良好塑性或良好耐蚀性的包覆层，以提高材料整体的物理化学性能。因此，将现有的金属陶瓷复合材料与金属材料制备成拥有层状结构的复合材料，通过复合强韧化的方式提高材料的性能，使材料的综合性能显著提升。

图1  贝壳微观结构形貌及叠层复合结构简图   (a) 珍珠层截面形貌；(b) 表面纳米有机蛋白颗粒；(c)，(d) 珍珠层俯视形貌；(e)珍珠层结构简图

     金属陶瓷层状复合材料(laminated metal/ceramics composites，LMCCs)正是在这种契机下应运而生，并在其诞生之后迅速成为复合材料研究领域的热门课题之一。金属陶瓷层状复合材料是由至少一种金属以片层形式与陶瓷交替排列而成，是将拥有不同化学、物理性能的两种或多种材料按照不同的层间距、层厚比以及叠层数相互叠层制备的新型材料，通常是由基体材料和增强体复合制备而成，图2是通过粉末冶金法制备金属陶瓷层状复合材料的工艺流程。微叠层复合材料中的强性层一般选用较高强度和弹性模量的结构陶瓷，该层主要起强化的作用，当受外界载荷时能保证材料具有较高的强度。陶瓷层通常选用SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、ZrO₂等材料。韧性层一般选用金属或有机物质等韧性好的材料，保证材料具有良好的韧性。常见的韧性层材料有Ti、Ni、Fe等金属材料，非金属的石墨以及高分子材料的树脂等。微叠层复合材料每个叠层的厚度通常要求为0.01~100 μm，而其性能是由每一个组分特性、体积分数、结构特点、层间距和各组分之间的互溶度共同决定的。由于材料结构的特殊性，金属陶瓷层状复合材料可以改善材料的断裂韧度、疲劳性能、抗冲击性能、抗磨损性能、抗腐蚀性能和阻尼性能等。

图2  粉末冶金制备金属陶瓷层状复合材料工艺流程

      最常见的金属陶瓷层状复合材料主要包括Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Fe基、Cr基、耐热金属基、金属间化物基等，其中以Al基、Ti基、Ni基复合材料发展较为成熟。Al基常见于以Al₂O₃（氧化铝）、TiC（碳化钛）和SiC（碳化硅）等为增强相的叠层复合材料，被认为是航空、航天、武器装备、车辆、舰船等领域工程部件上最有应用前景的候选材料之一。Ti基复合材料经过30 多年的研究，在航空航天等领域应用广泛，对飞行器减重设计提供重要支撑。钛合金与钛基叠层复合材料中存在着多尺度第二相以及不同的强化相分布结构，以原位自生反应形成的TiB晶须和TiC颗粒以及其他陶瓷相作为主要增强相。这种呈层状分布的增强相富集区通过隧道裂纹、裂纹偏转和压应力增韧等方式，降低裂纹尖端应力因子和三向应力集中水平，从而大幅提高材料的韧性和抗冲击性能，如图3所示。Ni基叠层复合材料主要用于航空航天领域，其中Ni-Cr基叠层复合材料是一种基础的叠层复合材料，而Ni-Al基叠层复合材料是近年发展起来的，其制备及性能研究成为了热点。这两种体系的叠层复合材料其比重及使用性能有很大差异，可以满足不同环境下的特殊需求。

图3  Ti/Al₂O₃叠层复合材料 (a)横截面形貌；(b)裂纹扩展示意图

      近几年金属陶瓷层状复合材料制备技术在国内外有了较深入的研究，但是在实际的工程领域中还没有获得全面的应用。这主要因为该技术的理论依据较复杂，并且工业环境不同于实验环境，因此还需要进一步探索与完善该技术。同时实验中所制备的金属陶瓷一般都为小尺寸的规则形状，但是实际的工业领域需要各种形状的材料，所以只有进一步完善该技术的工艺制备出符合实际条件需求的产品，才能将金属陶瓷层状复合材料制备这一技术手段真正地推广到实际应用领域中。

作者：张振，南京工程学院

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