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金属陶瓷新突破，金属所仿生金属陶瓷实现轻质高强韧高阻尼

文章来源：贤集网更新时间：2023-05-29 15:11:12

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。对于金属陶瓷这类新材料，他们的阻尼系数普遍偏低，并且随着强度提升而进一步下降。为了解决这一问题，中国科学院金属研究所刘增乾、张哲峰团队与国内外科研团队合作，发明出一种新型镁-MAX相仿生金属陶瓷，该材料具有仿生材料优异的轻质、高强韧、高阻尼性能。

金属陶瓷材料

为了使陶瓷既可以耐高温又不容易破碎，人们在制作陶瓷的粘土里加了些金属粉，因此制成了金属陶瓷。

金属陶瓷，是一种由金属或合金和一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料，其中后者约占15%～85vol%，当陶瓷含量高于50vol%时，亦可称为陶瓷-金属复合材料。金属陶瓷(Cermet/Ceramet)是由陶瓷(Ceramics)中的词头Cer/Cera与金属(Metal)中的词头Met结合起来构成。

金属陶瓷的优点及用途

金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外，在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层，也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀。金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。

金属材料和陶瓷材料是我们在航空航天、船舶、汽车、日用等行业十分常见的材料，已经融入到我们的方方面面。金属陶瓷作为金属材料和陶瓷材料研发的一种新型复合材料，兼具金属和陶瓷材料的某些优点，受到科研工作者的广泛关注，是材料领域的研究重点之一。近年来，金属陶瓷的研究成果越来越多，新品种不断出现，理论体系也日趋成熟。

现有金属陶瓷存在的缺陷

现有金属陶瓷大都以强化相分散于连续基体相中，各相三维空间连通性较差，并且往往缺乏特定空间构型设计，难以兼具陶瓷的高强度与金属的高韧性，同时阻尼系数普遍偏低，并且随着强度提升而进一步下降。自然界中的贝壳、骨骼等天然生物材料各组成相在三维空间均保持连续并且相互贯穿，以此实现不同性能优势的高效结合，这种巧妙结构可为研制新型高性能金属陶瓷材料提供重要启示。

自然界中的贝壳、骨骼等天然生物材料各组成相在三维空间均保持连续并且相互贯穿，以此实现不同性能优势的高效结合。金属所科研人员受这种巧妙结构启发，选用兼具金属和陶瓷特性并且与镁界面润湿性良好的MAX相陶瓷作为组元，利用含氧气氛下的可控球磨工艺将MAX相剥离成亚微米尺度薄片，进而利用真空抽滤实现陶瓷薄片的择优定向排列，最后将镁熔体浸渗入部分烧结的多孔陶瓷骨架中，研制了具有超细尺度三维互穿类贝壳结构的新型镁-MAX相仿生金属陶瓷材料。

仿生金属陶瓷问世

中国科学院金属研究所的研究人员与国内外研究团队合作，开发出一种轻质、高韧性、高阻尼性能的仿生材料——镁-MAX类金属陶瓷。该研究成果近日发表在《今日材料》上，并已申请了一项发明专利。

陶瓷材料之间比较

Mg -MAX类金属陶瓷的力学性能及其与其他材料的比较，由金属和陶瓷组成的复合材料，又称金属陶瓷，可以结合陶瓷和金属的性能优势，同时获得轻质、高韧性和高阻尼性能。这些优异的性能对于促进结构减重、保证使用安全、提高减振、吸能、降噪等功能非常重要。

受自然界中贝壳、骨骼等天然生物材料的巧妙结构启发，研究团队选择了兼具金属和陶瓷特性、与镁润湿性良好的MAX-phase陶瓷，将其剥离成亚微米尺度的薄片，并利用真空过滤实现陶瓷薄片的最优定向排列。这样，镁熔体就可以渗透到部分烧结的多孔陶瓷骨架中，形成一种新的具有超细尺度三维互穿结构的镁-MAX类金属陶瓷材料，类似于一个壳体。

镁-MAX相仿生金属陶瓷的微观结构、弯曲力学性能与断裂机制

仿金属陶瓷优点

镁-马克斯类金属陶瓷的显微组织、弯曲力学性能及断裂机制，在材料密度与铝合金相当的情况下，室温下的压缩和弯曲强度均超过1千兆帕斯卡，即使在200摄氏度下，强度仍接近700兆帕。同时具有极高的比强度，即达到相应强度所需的材料质量极轻，高于大多数块体镁及镁合金、陶瓷等金属陶瓷复合材料。

镁-MAX相仿生金属陶瓷的力学性能及其与其他材料的比较

适用的领域

研究团队表示，这种材料表现出优于单一镁成分的优异阻尼性能和良好的断裂韧性，在承载和减振方面具有独特优势，有望应用于航空航天、精密仪器等领域，而这种仿生设计思想也可以为开发新型高性能金属陶瓷提供有益启示。科技日报沈阳1月30日电(记者郝晓明)30日，记者从中科院金属所获悉，该所科研人员与国内外科研团队合作，发明了一种具有高轻质、高强度、高阻尼性能的仿生材料——镁-MAX类金属陶瓷。该研究成果近日发表在《今日材料》上，并已申请发明专利。

仿金属性能

受自然界中贝壳、骨骼等天然生物材料的巧妙结构启发，中科院金属所研究人员选择了兼具金属和陶瓷特性、与镁润湿性良好的MAX-phase陶瓷作为组分。利用含氧气氛下的可控球磨工艺，将MAX相剥离成亚微米级片状，然后通过真空过滤使陶瓷片择优取向排列，使镁熔体渗入部分烧结的多孔陶瓷骨架中，开发出一种具有超细尺度三维互穿壳状结构的新型镁-MAX仿生金属陶瓷材料。

据介绍，新型仿生金属陶瓷材料在密度与铝合金(2.79g cm^-3 3)相当的条件下，其室温压缩和弯曲强度均超过1 GPa，即使在200摄氏度下，其强度仍接近700 MPa，明显高于其他部件和其他镁-陶瓷复合材料，同时获得了350 MPa/g·cm-1以上的强度。

仿生金属陶瓷表现出优于单一镁组分的优异阻尼性能和良好的断裂韧性，在承载、减振等方面具有独特的优势。有望应用于航空航天、精密仪器等领域，仿生设计思想也可为开发新型高性能金属陶瓷材料提供有益启示。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_527273.html
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