首爾國立大學&加州大學&勞倫斯伯克利國家實驗室Nat. Commun.：塊狀金屬玻璃合金為兼容相的仿珍珠質氧化鋁

【引言】

用于航空航天、能源和運輸等結構應用的新材料往往需要能夠在侵蝕性和高溫的環境中安全使用，此外對于航空應用還需要材料密度較低。陶瓷是一種滿足上述使用需求的材料，但是陶瓷的拉伸延展性和斷裂韌性都較差，造成突發故障不易避免。而自然界存在諸如珍珠質等很多具有優異強度和韌性的耐損陶瓷類材料，并且是通過機械性能并不突出的單種成分得到的。這些通常具有復雜分級和多尺度的結構，使得硬質礦物和軟質有機相產生取向、結構梯度或者分級界面，進而提高了機械性能。計算模型和仿生方法已表明利用珍珠質和其他生物材料中的設計原理和增強/增韌機制有望獲得基于現有工程陶瓷的新型輕質結構材料。目前共擠出、放點-等離子體燒結和添加劑制造等也被應用于仿珍珠質陶瓷材料的制備，而冷凍澆鑄后浸潤金屬砂漿材料是其中一種有效方法，不僅可以產生具有復雜分級微結構的陶瓷材料，還具有制造強界面粘合的陶瓷-金屬雜化材料的潛力。但是它們的加工仍具有挑戰性，因為金屬通常不會潤濕陶瓷。

【成果簡介】

近日，首爾國立大學Eun Soo Park 教授與加州大學、勞倫斯伯克利國家實驗室Robert O. Ritchie教授合作，成功合成了仿珍珠質的氧化鋁結構，該結構中含有玻璃合金作為兼容相。通過接觸角測量和靜電懸浮證實了陶瓷支架的長度尺度及其對液態合金的優異潤濕性。Zr基塊狀金屬玻璃在氧化鋁上能夠幾秒內完全潤濕，表明兩種材料在界面處發生了共形結合。最后本文還考察了加工條件對陶瓷-金屬界面的影響。該成果以題為" Bioinspired nacre-like alumina with a bulk-metallic glass-forming alloy as a compliant phase "發表在國際著名期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 塊狀金屬玻璃的熱物理性質

(a) Zr₄₆Cu_30.14Ag_8.36Al₈Be_7.5 塊狀金屬玻璃形成的合金熔體的表面張力；

(b) Zr₄₆Cu_30.14Ag_8.36Al₈Be_7.5 塊狀金屬玻璃形成的合金熔體的粘度。

圖2 氧化鋁上塊狀金屬玻璃的潤濕速率和程度

圖3 陶瓷的X射線衍射

(a) 浸潤在1153K和1273K的具有層狀結構的氧化鋁/塊狀金屬玻璃陶瓷的XRD圖案；

(b) 浸潤在1153K和1273K的具有實體結構的氧化鋁/塊狀金屬玻璃陶瓷的XRD圖案。

圖4 氧化鋁/塊狀金屬玻璃合金材料的SEM照片

(a, c) 具有層狀結構的氧化鋁/塊狀金屬玻璃合金材料的SEM圖片；

(b, d) 具有實體結構的氧化鋁/塊狀金屬玻璃合金材料的SEM圖片；

(e) 浸潤在1153K的具有層狀結構的陶瓷中的金屬-陶瓷界面的SEM圖片；

(f) 浸潤在1273K的具有層狀結構的陶瓷中的金屬-陶瓷界面的SEM圖片；

(g) 浸潤在1153K的具有實體結構的陶瓷中的金屬-陶瓷界面的SEM圖片；

(h) 浸潤在1273K的具有實體結構的陶瓷中的金屬-陶瓷界面的SEM圖片。

圖5 陶瓷的差示掃描量熱結果

圖6 陶瓷的彎曲強度和斷裂韌性

(a) 浸潤溫度對層狀結構和實體結構樣品的抗彎強度的影響；

(b) 浸潤溫度對層狀結構和實體結構樣品的斷裂韌性的影響。

圖7?浸潤在1273K的實體氧化鋁/塊狀金屬玻璃材料的抗裂曲線

圖8 氧化鋁/塊狀金屬玻璃材料樣品的裂縫結構的SEM照片

(a, b) 與浸潤在1273K中的樣品相比，浸潤在1153K中的層狀結構樣品顯示出較少的裂紋偏轉行為；

(c, d) 與浸潤在1273K中的樣品相比，浸潤在1153K中的實體結構樣品顯示出較少的裂紋偏轉行為。

圖9 SEM照片和微懸臂梁測試結果

(a) 用于界面韌性測試的代表性微懸臂樣品；

(b) 1153 K（藍色）和1273 K（紅色）浸潤樣品的條件應力強度-位移曲線；

(c, e) 1153 K浸潤樣品的斷裂表面的SEM圖片；

(d, f) 1273 K浸潤樣品的斷裂表面的SEM圖片。

圖10 層狀結構的氧化鋁/塊狀金屬玻璃材料的SEM圖片

(a) 1153K浸潤材料在金屬和氧化鋁之間顯示出尖銳界面和刻面結晶（Zr2Cu）相；

(b) 1273K浸潤材料在金屬和氧化鋁之間顯示出界面的侵蝕。

【小結】

本文中，作者通過鋯基塊狀金屬玻璃砂漿的快速無壓浸潤制造氧化鋁結構，其中該玻璃砂漿能夠反應性地潤濕冷凍鑄造氧化鋁預制件的表面。所得氧化鋁的機械性能隨著浸潤溫度和陶瓷含量而變化，導致彎曲強度和斷裂韌性之間的折衷。研究證實，高韌性歸因于陶瓷的拉出和沿陶瓷/金屬界面的裂縫偏轉。由于這些機制是通過界面破壞而不是金屬砂漿內的失效來實現的，因此優化這些生物啟發材料以獲得損傷容限的潛力仍未完全實現。

文獻鏈接：Bioinspired nacre-like alumina with a bulk-metallic glass-forming alloy as a compliant phase??(Nat. Commun. 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08753-6)

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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