金屬陶瓷新工藝：互不反應卻完美結合

材料牛注：金屬陶瓷因其良好的高溫穩定性、可加工性和延展性等受到廣泛關注，由于制備方法的限制阻礙了其發展。德克薩斯農工大學最近發明了一種新型合成金屬陶瓷的方法，利用電流加熱熔融金屬在壓力作用下滲透到陶瓷中，從而合成穩定、高性能的金屬陶瓷復合材料。

汽車、航天以及發電行業的快速發展促使著材料學家們對新型工程材料的研發。陶瓷金屬復合材料又稱金屬陶瓷，是一種可以增強運輸能力和能量轉換的新型材料。

金屬陶瓷集合了陶瓷和金屬等主要成分的優點，包括陶瓷的高溫穩定性、金屬的可加工性和延展性等。然而，在加工過程中其主要成分一旦在發生反應，金屬陶瓷便會失效。

德克薩斯農工大學的研究人員開發了一種快速且有效的技術，能夠將陶瓷和金屬加工成金屬陶瓷，且兩者幾乎不發生反應。這一突破打開了性能優異的新型復合材料研制的大門。

大多數陶瓷和金屬在高溫下復合是不穩定的，容易發生反應，導致最終的復合材料具有易脆或不耐熱等缺陷。材料科學工程系副系主任Miladin Radovic博士認為：“這嚴重阻礙了新型復合材料的研發，而難以滿足我們的發展需求。”

Radovic與材料科學與工程系主任Ibrahim Karaman教授，以及幾個博士生、本科生聯合開發了電流激發壓力輔助滲透法（CAPAI），用于陶瓷和金屬的復合，合成穩定、高性能的復合材料。僅需9秒鐘，利用CAPAI方法便將陶瓷和金屬復合，且兩者之間幾乎沒有發生反應。CAPAI使用電流加熱將金屬熔融，并施加壓力以將熔融金屬注入到陶瓷泡沫中。

在他們的初始研究中，研究人員選擇金屬鋁和鈦碳化鋁（Ti₂AlC）陶瓷泡沫，因為前者質量輕、耐腐蝕，且在汽車和航空航天工業中十分普及；而后者具有良好的斷裂韌性、導電性和導熱性。用兩者合成的輕質金屬陶瓷具有高強度和良好的溫度穩定性。

Radovic稱：“電流加熱的同時施加壓力，從而可以有效地驅動熔融金屬進入陶瓷預制件。這種方法加熱速度很快且可控，最高可達700攝氏度，提供了一種簡單有效的方法來避免陶瓷和熔融金屬之間的反應。”

研究人員發現，所得到的復合材料（Ti₃AlC₃/Al）質量很輕，在環境溫度（室溫）和高溫下都有很好的機械性能。 它的強度在室溫下比鋁合金強10倍，在400℃下強14倍，并且在暴露于高溫后不易發生嚴重降解。

Radovic解釋說：“鋁和鈦鋁碳化物挑戰了生產所需復合材料的傳統方法，因為它們反應所需溫度遠遠超出它們在復合材料中結合所需的溫度。CAPAI方法能夠加工傳統粉末冶金和常規滲透技術不能加工的新型陶瓷-金屬復合材料。”

Radovic對這種新型先進復合材料的前景保持樂觀，認為這將為工業化的經濟和可持續制造創造無限機會。該研究得到了美國空軍科學研究辦公室以及多學科高校研究創新計劃（MURI）對德州農工大學研究員的授權資助。

原文鏈接：Rapid Ceramic-metal Processing for Superior Composites.

本文由編輯部龍騎士提供素材，王晨翻譯，李卓審核，點我加入材料人編輯部。

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