金屬陶瓷因其良好的高溫穩(wěn)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(fā)展。德克薩斯農工大學最近發(fā)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(wěn)定、高性能的金屬陶瓷復合材料。

    汽車、航天以及發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展促使著材料學家們對新型工程材料的研發(fā)。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(yōu)點，包括陶瓷的高溫穩(wěn)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(fā)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(fā)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(fā)生反應。這一突破打開了性能優(yōu)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(wěn)定的，容易發(fā)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(fā)，而難以滿足我們的發(fā)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(fā)了電流激發(fā)壓力輔助滲透法（CAPAI），用于陶瓷和金屬的復合，合成穩(wěn)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(fā)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(yè)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(wěn)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(fā)現，所得到的復合材料（Ti3AlC3/Al）質量很輕，在環(huán)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(fā)生嚴重降解。

    Radovic解釋說：“鋁和鈦鋁碳化物挑戰(zhàn)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(guī)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(yè)化的經濟和可持續(xù)制造創(chuàng)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(chuàng)新計劃（MURI）對德州農工大學研究員的授權資助。

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責任編輯：劉洋

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