供稿人:魯中良 趙洪炯 發(fā)布日期：2018-06-11
加州伯克利分校和密蘇里科技大學(xué)的學(xué)者們最近研究出利用直寫成型、熱壓燒結(jié)的方法來成型磚塊結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷。成型方法如圖1所示，采用Al2O3作為芯部材料，用NiO作為外殼材料，成型之后經(jīng)過熱壓燒結(jié)得到磚混結(jié)構(gòu)的復(fù)合陶瓷，最終在H2氛圍下外殼材料NiO還原為Ni金屬，從而得到磚混結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷。
圖1 成型原理示意圖
具體方法是：在熱塑性材料（聚乙烯-丙烯酸乙酯）的玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上，將陶瓷顆粒（Al2O3顆粒，4vol%的ZrO2顆粒）加入其中充分?jǐn)嚢柚频霉滔嗪繛?5vol%的芯部漿料，然后將其注入到直徑為20.4mm圓柱模具中，冷卻之后用作芯部材料；使用同樣的方法加入45μm的NiO制得外殼漿料，注入間隙為1mm的兩個(gè)半環(huán)形模具中冷卻。將上述兩種冷卻的熱塑性材料組裝到圖1中的料筒中，對(duì)料筒進(jìn)行冷卻以保持核殼的結(jié)構(gòu)，并對(duì)噴嘴加熱使之熔化，并通過機(jī)械擠壓的方法擠出成型。將所擠出的材料進(jìn)行脫脂（600℃，2h）去除其中的有機(jī)物，并經(jīng)過熱壓燒結(jié)（1400℃，32MPa，1h）得到磚混結(jié)構(gòu)的Al2O3/NiO材料。進(jìn)而在H2氛圍中保溫10h，使外殼材料NiO還原為Ni，并且在金屬和陶瓷的表面生成Al2NiO4尖晶石。
文章對(duì)比了磚混結(jié)構(gòu)的大小對(duì)磚混結(jié)構(gòu)的性能的影響（如圖2左所示）。從500μm到200μm，噴嘴直徑降低了60%，材料的彎曲強(qiáng)度提高了45%（從110±8MPa到158±24MPa），但低于純氧化鋁的強(qiáng)度（~400MPa）。從500μm到200μm，斷裂韌性提高了20%（從3.4MPam1/2到4.1 MPam1/2）。
對(duì)這種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的材料，文章探究對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。從圖2右圖可以看出，裂紋在傳播的過程中，磚混結(jié)構(gòu)的“混凝土”部分可以起到較好的阻礙裂紋擴(kuò)展的效果。
圖2.磚混結(jié)構(gòu)的大小對(duì)性能影響
目前的Al2O3/Ni磚混結(jié)構(gòu)與整體式氧化鋁相比，具有優(yōu)異的韌性，但彎曲強(qiáng)度低。但是，我們有理由相信這種結(jié)構(gòu)有可能繼續(xù)利用金屬“混凝土”獲得更高的韌性和強(qiáng)度，因?yàn)樵谀壳暗牟牧现?，位移很大程度上是沿著陶?金屬界面發(fā)生的，僅產(chǎn)生穩(wěn)定的亞臨界裂縫而不發(fā)生災(zāi)難性斷裂。未來，為了充分利用金屬“混凝土”的剪切/拉伸強(qiáng)度的潛力，需要在“混凝土”內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，這將顯著提高強(qiáng)度并且可能進(jìn)一步提高韌性。