金屬材料、陶瓷材料與有機(jī)高分子材料被稱為現(xiàn)代社會(huì)三大固體工程材料。其中金屬材料因其擁有優(yōu)異的韌性、良好的導(dǎo)電傳熱性，而被廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械的關(guān)鍵零部件和結(jié)構(gòu)件中，但耐腐性能差、易氧化、高溫強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)限制了金屬材料的發(fā)展。陶瓷材料的高硬度、高強(qiáng)度及其擁有的極佳的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等特性使其在金屬冶煉、石油化工、航空航天及新能源等領(lǐng)域擁有著極其廣闊的應(yīng)用前景；但陶瓷材料本身所固有的脆性，導(dǎo)致了陶瓷材料作為結(jié)構(gòu)件在使用時(shí)面臨著可靠性差、抗破壞能力差等一系列致命傷，極大地限制了陶瓷材料的應(yīng)用和進(jìn)一步的發(fā)展。

      材料的層狀結(jié)構(gòu)是一種仿生學(xué)設(shè)計(jì)，自然界中貝殼的珍珠層正是一種層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。如圖1所示，貝殼中的珍珠層，是由一層層超薄的碳酸鈣通過幾十納米厚的有機(jī)蛋白基連接在一起。在其體積中約有95%是碳酸鈣，而有機(jī)蛋白僅僅占據(jù)了5%，可恰恰是這5%的有機(jī)蛋白的存在，引起了貝殼力學(xué)性能的巨大改變。碳酸鈣是一種很脆且易碎的物質(zhì)，但是有機(jī)蛋白基連接而成的層狀碳酸鈣組成的貝殼珍珠層卻具有很強(qiáng)的韌性。這種結(jié)構(gòu)啟發(fā)人們?cè)诟邚?qiáng)度低塑性或者低耐蝕性材料外附加一層具有良好塑性或良好耐蝕性的包覆層，以提高材料整體的物理化學(xué)性能。因此，將現(xiàn)有的金屬陶瓷復(fù)合材料與金屬材料制備成擁有層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，通過復(fù)合強(qiáng)韌化的方式提高材料的性能，使材料的綜合性能顯著提升。

圖1  貝殼微觀結(jié)構(gòu)形貌及疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖   (a) 珍珠層截面形貌；(b) 表面納米有機(jī)蛋白顆粒；(c)，(d) 珍珠層俯視形貌；(e)珍珠層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

     金屬陶瓷層狀復(fù)合材料(laminated metal/ceramics composites，LMCCs)正是在這種契機(jī)下應(yīng)運(yùn)而生，并在其誕生之后迅速成為復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱門課題之一。金屬陶瓷層狀復(fù)合材料是由至少一種金屬以片層形式與陶瓷交替排列而成，是將擁有不同化學(xué)、物理性能的兩種或多種材料按照不同的層間距、層厚比以及疊層數(shù)相互疊層制備的新型材料，通常是由基體材料和增強(qiáng)體復(fù)合制備而成，圖2是通過粉末冶金法制備金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的工藝流程。微疊層復(fù)合材料中的強(qiáng)性層一般選用較高強(qiáng)度和彈性模量的結(jié)構(gòu)陶瓷，該層主要起強(qiáng)化的作用，當(dāng)受外界載荷時(shí)能保證材料具有較高的強(qiáng)度。陶瓷層通常選用SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、ZrO₂等材料。韌性層一般選用金屬或有機(jī)物質(zhì)等韌性好的材料，保證材料具有良好的韌性。常見的韌性層材料有Ti、Ni、Fe等金屬材料，非金屬的石墨以及高分子材料的樹脂等。微疊層復(fù)合材料每個(gè)疊層的厚度通常要求為0.01~100 μm，而其性能是由每一個(gè)組分特性、體積分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、層間距和各組分之間的互溶度共同決定的。由于材料結(jié)構(gòu)的特殊性，金屬陶瓷層狀復(fù)合材料可以改善材料的斷裂韌度、疲勞性能、抗沖擊性能、抗磨損性能、抗腐蝕性能和阻尼性能等。

圖2  粉末冶金制備金屬陶瓷層狀復(fù)合材料工藝流程

      最常見的金屬陶瓷層狀復(fù)合材料主要包括Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Fe基、Cr基、耐熱金屬基、金屬間化物基等，其中以Al基、Ti基、Ni基復(fù)合材料發(fā)展較為成熟。Al基常見于以Al₂O₃（氧化鋁）、TiC（碳化鈦）和SiC（碳化硅）等為增強(qiáng)相的疊層復(fù)合材料，被認(rèn)為是航空、航天、武器裝備、車輛、艦船等領(lǐng)域工程部件上最有應(yīng)用前景的候選材料之一。Ti基復(fù)合材料經(jīng)過30 多年的研究，在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對(duì)飛行器減重設(shè)計(jì)提供重要支撐。鈦合金與鈦基疊層復(fù)合材料中存在著多尺度第二相以及不同的強(qiáng)化相分布結(jié)構(gòu)，以原位自生反應(yīng)形成的TiB晶須和TiC顆粒以及其他陶瓷相作為主要增強(qiáng)相。這種呈層狀分布的增強(qiáng)相富集區(qū)通過隧道裂紋、裂紋偏轉(zhuǎn)和壓應(yīng)力增韌等方式，降低裂紋尖端應(yīng)力因子和三向應(yīng)力集中水平，從而大幅提高材料的韌性和抗沖擊性能，如圖3所示。Ni基疊層復(fù)合材料主要用于航空航天領(lǐng)域，其中Ni-Cr基疊層復(fù)合材料是一種基礎(chǔ)的疊層復(fù)合材料，而Ni-Al基疊層復(fù)合材料是近年發(fā)展起來的，其制備及性能研究成為了熱點(diǎn)。這兩種體系的疊層復(fù)合材料其比重及使用性能有很大差異，可以滿足不同環(huán)境下的特殊需求。

圖3  Ti/Al₂O₃疊層復(fù)合材料 (a)橫截面形貌；(b)裂紋擴(kuò)展示意圖

      近幾年金屬陶瓷層狀復(fù)合材料制備技術(shù)在國(guó)內(nèi)外有了較深入的研究，但是在實(shí)際的工程領(lǐng)域中還沒有獲得全面的應(yīng)用。這主要因?yàn)樵摷夹g(shù)的理論依據(jù)較復(fù)雜，并且工業(yè)環(huán)境不同于實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因此還需要進(jìn)一步探索與完善該技術(shù)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中所制備的金屬陶瓷一般都為小尺寸的規(guī)則形狀，但是實(shí)際的工業(yè)領(lǐng)域需要各種形狀的材料，所以只有進(jìn)一步完善該技術(shù)的工藝制備出符合實(shí)際條件需求的產(chǎn)品，才能將金屬陶瓷層狀復(fù)合材料制備這一技術(shù)手段真正地推廣到實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中。

作者：張振，南京工程學(xué)院

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