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采用島津SEM SERVO帶掃描電子顯微鏡的高溫原位疲勞試驗(yàn)機(jī)，基于自主設(shè)計(jì)的加載夾具，實(shí)時(shí)觀察記錄裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，評(píng)價(jià)了材料的斷裂韌性。

While materials that are light, strong, tough and simultaneously damping are highly attractive for a range of applications, it remains a challenge to achieve a combination of all these properties in a single material as these properties are often mutually exclusive. Here we present a cermet material comprising an ultrafine-grained Mg-Al-Zn magnesium alloy with ultrafine Ti3AlC2 ceramic platelets, where the two phases are bi-continuous and interpenetrated in 3D space yet are alternately arranged in a layered fashion as in natural nacre. Such an architecture was constructed by infiltrating the alloy into the porous ceramic scaffold where the Ti3AlC2 platelets were preferentially aligned by vacuum filtration and partially sintered. The resulting cermet exhibits a high flexural strength exceeding 1 GPa and a high specific flexural strength (strength normalized by density) of over 350 MPa/(g·cm-3) – both exceeding those of most other bulk magnesium (and magnesium alloys), ceramics, and their composite materials – as well as high damping capacities and good fracture toughness. The architectural design strategy and the robust fabrication approach may prove to be effective for developing new high-performance cermet materials.

輕質(zhì)高強(qiáng)韌高阻尼材料對(duì)于促進(jìn)結(jié)構(gòu)減重、保障安全服役，以及提升減振、吸能、降噪等功能至關(guān)重要，在航空航天、精密儀器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。金屬和陶瓷是工程應(yīng)用非常廣泛的兩類(lèi)結(jié)構(gòu)材料。陶瓷具有高模量、高硬度、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但斷裂韌性和阻尼偏低，力學(xué)性能對(duì)缺陷較為敏感，特別是在張應(yīng)力條件下強(qiáng)度明顯減弱。與之相比，金屬通常表現(xiàn)出更為優(yōu)異的延展性和斷裂韌性，其中鎂和鎂合金具有突出的比強(qiáng)度、比剛度和阻尼性能，然而，其絕對(duì)強(qiáng)度、剛度以及斷裂韌性均偏低，一定程度上限制了它們的廣泛應(yīng)用。

由金屬和陶瓷組成的復(fù)合材料，又稱(chēng)金屬陶瓷（cermet），有望綜合兩相的性能優(yōu)勢(shì)，同步獲得輕質(zhì)高強(qiáng)韌高阻尼性能。然而，現(xiàn)有金屬陶瓷大都以強(qiáng)化相分散于連續(xù)基體相中，各相三維空間連通性較差，并且往往缺乏特定空間構(gòu)型設(shè)計(jì)，難以兼具陶瓷的高強(qiáng)度與金屬的高韌性，同時(shí)阻尼系數(shù)普遍偏低，并且隨著強(qiáng)度提升而進(jìn)一步下降。自然界中的貝殼、骨骼等天然生物材料具有微觀三維互穿結(jié)構(gòu)，即各組成相在三維空間均保持連續(xù)并且相互貫穿，以此實(shí)現(xiàn)不同性能優(yōu)勢(shì)的高效結(jié)合，這種巧妙結(jié)構(gòu)可為研制新型高性能金屬陶瓷材料提供重要啟示。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所仿生材料研究團(tuán)隊(duì)與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部及國(guó)內(nèi)外科研人員合作，選用兼具金屬和陶瓷特性并且與鎂界面潤(rùn)濕性良好的MAX相陶瓷作為組元，利用含氧氣氛下的可控球磨工藝將MAX相剝離成亞微米尺度薄片，進(jìn)而利用真空抽濾實(shí)現(xiàn)陶瓷薄片的擇優(yōu)定向排列，最后將鎂熔體浸滲入部分燒結(jié)的多孔陶瓷骨架中，研制了具有超細(xì)尺度三維互穿類(lèi)貝殼結(jié)構(gòu)的新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷材料，如圖1所示。

圖1：鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、彎曲力學(xué)性能與斷裂機(jī)制

● 超細(xì)結(jié)構(gòu)尺度：鎂和MAX相的特征尺寸均在亞微米到納米范圍，實(shí)現(xiàn)金屬相細(xì)晶強(qiáng)化，同時(shí)減小MAX相中的缺陷尺寸，充分發(fā)揮陶瓷組元的強(qiáng)化作用，并且獲得高密度（~7.5×103mm-1）的兩相界面，通過(guò)促進(jìn)位錯(cuò)在界面處形成與可逆運(yùn)動(dòng)提高阻尼性能；

● 兩相三維互穿：鎂和MAX相各自保持連續(xù)，連續(xù)的鎂有助于保留其高阻尼性能，連續(xù)的MAX相有助于獲得高強(qiáng)化效率，并且兩相在三維空間相互貫穿，促進(jìn)各相內(nèi)部以及兩相之間的應(yīng)力傳遞，減輕應(yīng)力集中，延緩因各單一相或兩相界面損傷導(dǎo)致整體過(guò)早斷裂；

● 仿生空間構(gòu)型：MAX相薄片擇優(yōu)定向排列，鎂填充薄片之間的空隙，形成類(lèi)似天然貝殼的微觀軟硬交替層狀結(jié)構(gòu)，有助于減弱裂紋尖端的有效應(yīng)力強(qiáng)度水平，誘導(dǎo)裂紋沿鎂相發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并通過(guò)MAX相薄片的橋接與拔出阻礙裂紋面張開(kāi)，從而起到有效的增韌作用。

上述組成與結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)賦予仿生材料優(yōu)異的輕質(zhì)高強(qiáng)韌高阻尼性能，在密度與鋁合金相當(dāng)?shù)臈l件下（2.79g·cm-3），其室溫壓縮與彎曲強(qiáng)度均超過(guò)1GPa，即使在200°C下，其強(qiáng)度依然接近700MPa，均顯著高于各組元以及其他鎂-陶瓷復(fù)合材料，同時(shí)獲得了超過(guò)350MPa/(g·cm-3)的超高比強(qiáng)度，高于絕大多數(shù)塊狀鎂及鎂合金、陶瓷以及其他金屬-陶瓷復(fù)合材料。此外，研究人員采用島津SEM SERVO帶掃描電子顯微鏡的高溫原位疲勞試驗(yàn)機(jī)，基于自主設(shè)計(jì)的加載夾具，實(shí)時(shí)觀察記錄裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，進(jìn)而基于非線(xiàn)性彈性斷裂力學(xué)計(jì)算得到材料的J積分，并轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子定量評(píng)價(jià)了材料的斷裂韌性，仿生材料表現(xiàn)出超過(guò)單一鎂組元的優(yōu)異阻尼性能以及良好的斷裂韌性（16.4MPa·m1/2），如圖2所示。

圖2：鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的力學(xué)性能及其與其他材料的比較

新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷在承載、減振等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望應(yīng)用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域，該仿生設(shè)計(jì)思路也可為開(kāi)發(fā)新型高性能金屬陶瓷材料提供有益啟示，相關(guān)研究成果發(fā)表在Materials Today。

圖3 島津SEM SERVO帶掃描電子顯微鏡的高溫原位疲勞試驗(yàn)機(jī)

文獻(xiàn)題目

《A strong, lightweight, and damping cermet material with a nacre-like ultrafine 3D interpenetrated architecture》

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.12.002

Materials Today, 2023, 62: 62-70.

期刊影響因子：24.2

使用儀器

島津SEM SERVO帶掃描電子顯微鏡的高溫原位疲勞試驗(yàn)機(jī)

作者

Y. Y. Liu a, b, Z. Q. Liu a, b, Z. F. Zhang a, b

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

a Shi-Changxu Innovation Center for Advanced Materials, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

b School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

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