Materials Today：超細3D互穿珍珠質結構的金屬陶瓷材料

一、【導讀】

? ? ? ? ?開發新的結構材料的需求無處不在，要求材料既堅固又輕便，即具有高強度密度比，而且還具有抗斷裂性，對缺陷不敏，以確保安全的使用壽命。阻尼能力也可能是一個關鍵特性，因為其對于減少振動和噪音同時保持結構穩定性至關重要。不幸的是，創造具有所有這些特性（即高比強度、韌性和阻尼能力）的材料的主要挑戰是這些特性通常是相互排斥的，強度和韌性權衡、強度和阻尼能力之間的關系是眾所周知的例子。然而，此工作提出的想法是，是否可以通過組合不同類別的材料來克服這個問題。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 展示了一種金屬陶瓷材料，包含超細晶粒Mg-Al-Zn鎂合金和超細Ti₃AlC₂陶瓷薄片。兩相結構在3D空間中是雙連續的和相互滲透，以分層方式交替排列，如天然珍珠質。通過將合金滲透到多孔陶瓷支架中構建的金屬陶瓷，表現出超過1GPa的高抗彎強度和超過350 MPa/(g cm^-3)的高比抗彎強度（強度歸一化密度）。

? ? ? ? ——兩者均超過大多數其他塊狀鎂（和鎂合金）、陶瓷，以及它們的復合材料。

? ? ? ? ——以及高阻尼能力和良好的斷裂韌性。架構設計策略和穩健的制造方法可能被證明對于開發新型高性能金屬陶瓷材料是有效的。

? ? ? 中科院金屬所張哲峰教授，劉增乾博士將相關研究工作以“A strong, lightweight, and damping cermet material with a nacre-like ultrafine 3D interpenetrated architecture”為題刊登在《Materials Today》上。

三、【核心創新點】

• 該材料在密度與鋁合金相當的條件下（79g·cm^-3），其室溫壓縮與彎曲強度均超過1GPa，即使在200°C下，其強度依然接近700MPa。
• 同時獲得了超過350MPa/(gcm^-3)的超高比強度，高于絕大多數塊狀鎂及鎂合金、陶瓷以及其他金屬-陶瓷復合材料。
• 表現出超過單一鎂組元的優異阻尼性能以及良好的斷裂韌性（16.4MPa·m^1/2）。

四、【數據概覽】

圖1 金屬陶瓷材料的顯微組織和相組成。? 2023 Elsevier Inc.

圖2 金屬陶瓷材料的壓縮和彎曲性能。? 2023 Elsevier Inc.

圖3 金屬陶瓷材料的能量耗散和阻尼特性。? 2023 Elsevier Inc.

圖4 金屬陶瓷材料與其他材料的機械性能比較。? 2023 Elsevier Inc.

五、【成果啟示】

? ? ? ? 通過將合金熔體滲透到部分燒結的陶瓷支架中，制造了一種由超細晶粒 AZ91D 鎂合金和 Ti₃AlC₂超細片晶組成的輕質、高強度和阻尼金屬陶瓷材料。金屬相和陶瓷相在金屬陶瓷材料的3D空間中是雙連續的和相互滲透的，并且像在天然珍珠質中一樣以分層方式交替排列。金屬陶瓷材料在室溫壓縮和彎曲條件下均表現出超過1 GPa的高強度，具有358±24MPa/(g cm ^-3)的高比彎曲強度。事實上，新材料的抗彎強度和比抗彎強度超過了大多數其他鎂和鎂合金、陶瓷和金屬陶瓷材料。與AZ91D鎂合金相比，這伴隨著提高的高溫強度、優異的斷裂韌性以及在環境溫度和高溫下增強的阻尼能力。這種良好的性能組合使這種金屬陶瓷成為許多結構應用的有吸引力的候選材料，例如需要輕質材料的承重應用以及在高應力水平下減少振動的應用。此外，這里使用的架構設計策略包括超細尺寸的成分，結合珍珠質的金屬和陶瓷相排列及其在3D空間中的相互滲透。（文:早早）

? ? ?原文詳情：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.12.002