MAX相陶瓷增强金属基复合材料:制备、性能与仿生设计

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态,MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点,并且常与金属之间表现出良好的润湿性,有助于形成强界面结合,独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因此,作为金属基复合材料的增强相,MAX相陶瓷具有显著优势,本文着重介绍相关研究进展。目前,MAX相陶瓷增强金属基复合材料主要通过搅拌铸造、粉末冶金和熔体浸渗等途径制备,得到的复合材料表现出优于金属基体的强度、硬度与模量,同时还具备良好的耐磨、导电、抗电弧侵蚀等性能。此外,借助真空抽滤、冰模板等工艺可实现超细片状MAX相陶瓷粉体的择优定向排列,然后利用金属熔体浸渗多孔陶瓷骨架,可获得具有类贝壳结构的MAX相陶瓷增强金属基仿生复合材料,进一步提升材料的强韧性能。MAX相陶瓷增强金属基复合材料在承载、电接触等应用领域具有显著优势和广阔前景。

仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法

以碳纳米管(carbon nanotube, CNT)和石墨烯(graphene)为代表的新一代碳纳米材料,由于其优异的力学性能和独特的结构而成为金属基复合材料的理想增强体。材料复合化可以提高金属材料的强度,但是会导致"强韧性倒置"的矛盾,从而限制高性能复合材料的开发及其在工业上的应用。启迪于自然界贝壳珍珠层的"砖-泥"结构,进行仿生层状构型设计,是解决这一问题、制备轻质高强超韧复合材料的有效手段。文章就国内外仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备工艺进行综述并提出一些思考。

仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法分析

碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料在工业生产和日常生活中应用广泛,具有优良的力学性能和独特的构成,是金属复合材料的理想增强体。文章对仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的相关制备方法进行了全面分析和探讨,提出制备轻质高强度复合材料的有效手段,有效提高金属复合材料的制备质量。

仿生层状复合材料研究概况

从仿生的角度介绍了仿生复合材料尤其是层状复合材料的设计原理、制备方法、主要研究内容和现状。指出了仿生复合材料的应用前景和今后的发展方向。

Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料的冷轧变形行为及界面过渡层演变

高铍含量的铍铜(Cu-Be)合金时效后抗拉强度可达1400 MPa以上,伸长率却不到5%,呈现显著的强度-塑性倒置关系,严重影响了合金服役的安全可靠性。高强Cu-Be合金塑性变形时产生的局部应变集中现象是导致其低塑性的根本原因,将层状非均质构型设计的思想运用于Cu-Be合金,构建Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料,可以有效减少该现象的产生,有望获得高强塑性的层状金属基复合材料。运用塑性变形法制备层状金属基复合材料简单易行,受到广泛关注。前人对层状金属基复合材料轧制变形规律的研究主要集中在复合材料金属组元方面,对界面过渡层变形规律研究较少。本工作利用真空热压复合及后续冷轧变形的方式制备了Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料,利用光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)结合能谱仪(EDS)、显微维氏硬度计对Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧变形行为及界面过渡层的演变进行了研究。研究结果表明,Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧前金属层间界面基本呈平直状,界面结合良好且无裂纹、孔洞等缺陷。当冷轧压下率不超过50%时,Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料发生不均匀的宏观变形,Cu-Zn层在板材厚度方向的变形量明显大于Cu-Be层和界面过渡层,当冷轧压下率为35%时,界面过渡层的厚度仅减小8.3%,不均匀的塑性变形导致Cu-Be/Cu-Zn界面由平直状态变为波浪状态;当冷轧压下率超过65%时,层状金属基复合材料内部发生均匀、协调的变形,各层厚度基本按照总冷轧压下率变化。不同冷轧压下率下,显微硬度最高的均为过渡层,其次是Cu-Be层,而Cu-Zn层的显微硬度最低。这是因为在层状金属基复合材料冷轧变形过程中,界面过渡层主要起到协调变形的作用,处于显著剪切应力状态,会产生额外的背应力强化。本工作探讨了界面过渡层在Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧过程中的宏观变形以及强化机理,有助于进一步阐明层状金属基复合材料塑性加工变形规律并合理制定其塑性加工工艺。

美国石开发出轻质高强金属基复合泡沫层状复合材料

美国纽约大学、深泉科技公司，以及美国陆军研究实验室的研究人员合作，成功制备出了由轻质金属基复合泡沫和碳纤维复合材料构成的层状复合材料。金属基复合泡沫通过引入中空颗粒在泡沫结构中形成气孔，具有较好的抗压强度，但刚度较低。与此前金属基复合泡沫通常夹在刚性板材中间形成夹层结构不同。

叠层状复合材料的研究进展

以贝壳珍珠层为例,简要介绍了天然叠层状生物材料的结构特征,并针对叠层状仿生材料的设计原理、制备技术及其研究现状等方面加以综述。

交叠增韧仿生复合材料的研究进展

仿生设计方法为制备结构与功能一体化材料提供了重要的思路和途径,已成为各国研究的重点,贝壳的分层结构和高强韧性能仿生制造是其中较为典型的一类,据此可开发出具有优异的防护性能和抗裂纹扩展能力的层状复合材料。对层状复合材料制备工艺、界面扩散及结合强度、增韧机制、弹道防护性能的研究现状进行了简要综述,评价和总结了目前存在的问题,并对仿生制造的应用前景进行了展望,指出应加强层状复合材料变形的理论研究,进一步拓展层状复合材料的应用领域。

冷冻铸造技术制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料研究进展

贝壳珍珠层是一种天然的层状结构复合材料,类似"砖和泥"的软硬相交替的层状分级组装结构赋予其优良的力学性能。通过对贝壳的珍珠层进行仿生研究,人们已利用不同技术如冷冻铸造技术等,制备了一系列仿生高强超韧层状复合材料,并且这些材料在航空航天、军事、民用及机械工程等领域表现出广阔的应用前景。首先介绍了贝壳珍珠层的结构性能,并对其断裂机制进行了阐述;然后综合介绍了冷冻铸造技术的发展历程、作用机理、控制因素、装置设计和总体工艺流程。在此基础上,对制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料的表观密度、多孔陶瓷的孔隙率进行介绍,综述了多孔陶瓷的性能、陶瓷/金属层状结构复合材料以及陶瓷/聚合物层状结构复合材料的特点和应用,最后分析和总结了在研究仿贝壳层状结构陶瓷复合材料过程中出现的问题,并对该复合材料的未来发展趋势做了一定的预测。

金属基仿生贝壳材料的制备方法

介绍贝壳珍珠层的微观结构及其韧化机理,进而针对仿生贝壳构型的优化设计,综述金属基仿生贝壳材料的制备技术及方法,展望金属基仿生贝壳材料发展趋势,指出借鉴增材制造和仿生贝壳聚合物材料的制备工艺。研究结果表明:探索更加有效的金属基仿生贝壳材料的制备方法可以借鉴仿生贝壳聚合物材料的制备工艺,并结合增材制造技术和计算机技术,为满足金属基仿生贝壳材料构型精细化要求提供可行途径。

仿生叠层构型石墨烯对铝基复合材料的纳米摩擦性能的影响

利用纳米压痕和纳米划痕试验表征了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料(Bio-inspired laminated graphene reinforced aluminum martrix composite,BAMC)与纯铝的力学性能和摩擦磨损性能.鉴于摩擦力由黏着作用和犁沟作用两分量共同组成,对比探究了BAMC与纯铝在微观摩擦磨损过程中的弹塑性转变过程,分析了黏着作用与犁沟作用在摩擦力中的贡献度,揭示了其微观摩擦磨损机制.结果表明:相较于纯铝,BAMC的纳米硬度提高了约24%,总摩擦系数(Friction coefficient)降低了约28%,黏着作用分量和犁沟作用分量分别降低了32%和16%.换言之,复合材料中的异质界面产生异质变形诱导强化,进而增强了应变硬化,使仿生叠层石墨烯铝基复合材料的硬度得到明显提升,并且仿生叠层构型的石墨烯主要通过降低黏着作用来实现减磨.从微纳米尺度揭示了BAMC的力学性能和摩擦磨损性能显著提升的机理,可为提升其摩擦磨损性能提供理论依据.目前的工作通过纳米划痕和纳米压痕强调了叠层结构石墨烯的添加对块体复合材料的摩擦性能的影响,并表明仿生叠层构型铝基石墨烯是搭建仿生叠层结构的小尺寸理想增强体.

铜基复合材料的构型多功能化

金属基复合材料(MMCs)由于其优异的性能,在空天、交通、电子、能源等领域的应用中具有不可替代的作用。随着科学技术的发展,单一高性能的金属基复合材料常不能满足越来越复杂的使役条件,亟需发展综合性能优异、多功能协同的新型金属基复合材料。然而,不同性能之间由于多种增强机制耦合,其解耦调控困难,使得它们呈现倒置关系。近年来,通过调控增强体在金属基体中的空间分布,即对复合构型开展研究,充分发挥复合材料的可设计性,最终实现金属基复合材料的多性能之间的协同,已成为该领域发展的重要趋势。本文在本研究团队前期关于金属材料构型化复合的研究基础上,以纳米碳/铜基复合材料为典型范例,对我们在该类新型材料研究中通过复合构型设计实现结构-功能一体化的最新进展,即"微纳砖砌"构型对强度-塑韧性-导电性能的协同进行了总结和介绍,并对该领域的发展趋势进行了展望。

秸秆纤维增强复合板材及仿生层状研究

秸秆纤维复合板材以其原材料来源丰富、可降解、价格低廉且易加工等特点而受到人们的关注,解决了木材短缺且板材需求日益增加这一尖锐矛盾,使其逐渐成为木材的代替品。层状结构具有良好的力学、声学及热学性能。以软体动物贝壳和鞘翅类甲虫外壳的内部结构为例,研究层状仿生结构,并将仿生结构有效应用于秸秆纤维复合材料中,以此来提高复合材料的整体性能。为此,研究分析了秸秆纤维的处理方法、粘结剂类型与优缺点,以及秸秆纤维增强复合材料的成型工艺;论证了秸秆纤维复合层状仿生板材的可行性。

贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展

贝壳珍珠层是一种天然的有机-无机层状复合材料,其独特的多尺度、多级次"砖-泥"组装结构赋予其优异的机械性能.受贝壳珍珠层启发,人们已利用不同方法制备了一系列仿生高强超韧层状复合材料,这些材料在航空航天、军事、民用工程及机械等领域表现出广阔的应用前景.本文就贝壳珍珠层的结构及增韧机制和近年来仿贝壳材料的制备方法及其研究进展进行了综述,并提出一些看法和思考.

《复合材料学报》征稿简则

1征稿范围。本刊主要刊载复合材料基础研究和应用研究方面具有创新性和重要意义的原始性高水平研究学术论文,以及由该领域专家亲自撰写的反映本学科最新发展状况的综述性研究论文。刊载范围:先进功能(光热电磁等)、仿生、新能源、轻质、光催化、生物、(纳米)纤维、颗粒等改性或增强聚合物基、金属基、陶瓷基等复合材料的制备、性能及应用。

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1征稿范围本刊主要刊载复合材料基础研究和应用研究方面具有创新性和重要意义的原始性高水平研究学术论文,以及由该领域专家亲自撰写的反映本学科最新发展状况的综述性研究论文。刊载范围:先进功能(光热电磁等)、仿生、新能源、轻质、光催化、生物、(纳米)纤维、颗粒等改性或增强聚合物基、金属基、陶瓷基等复合材料的制备、性能及应用。

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