[00117856]具有包裹体结构的金属-陶瓷多相材料(中科院)

该项目的提出在多相复合和纳米精细复合的研究思路下创立自己的研究方向，在此基础上能设计和制备出新的材料－具有包裹结构的金属－陶瓷多相材料。早在20世纪60年代初期，人们就对陶瓷/金属多相材料作过广泛的研究，当时的设想是希望将陶瓷和金属各自的长处在金属陶瓷中体现出来，同时又将各自的缺点隐蔽起来，从而获得一种力学性能优异的材料。所研究的材料体系包括氧化物陶瓷－金属、碳化物－金属、氮化物－金属、碳氮化物－金属、硅化物－金属等。在传统工艺中金属陶瓷想要取得成功，总的来说，要考虑以下几点（获得良好显微结构的前提）。① 金属与陶瓷相之间互相要润湿，并且金属相能渗透到陶瓷相颗粒之间的间隙中去，包裹好陶瓷相，形成连续的膜结构。② 金属相与陶瓷相之间应有一定的溶解度，但无剧烈的化学反应。③ 金属相和陶瓷相的热膨胀系数应近可能接近。以便于缓和材料在急热急冷的使用条件下产生的巨大热应力。当时认为最理想的结构应该是：金属形成一种连续的薄膜相，将均匀而细分散的陶瓷相颗粒包裹，陶瓷相颗粒成孤岛状。因为这样的微观结构使得细分散脆性陶瓷相受到应力（机械应力、热应力）后可以迅速的传递给均匀的金属连续相，使应力得以分散。同时，金属相由于包裹在陶瓷相上而得到强化。从而使的整个金属陶瓷材料的高温强度、抗冲击性、热稳定性等都得到改善。由于金属以网络的形式存在，在实际运用中氧易通过晶界扩散，从而使金属逐渐氧化变性起不到原来的增韧补强效果，因此陶瓷材料的脆性问题并没有解决。同时过分强调二相材料的润湿也使陶瓷－金属的复合体系受到限制。目前应力计算方法主要有二种[9-16]：1）XRD结合有限元分析法在晶须、纤维补强复合材料中已经得到广泛应用；此外多组元层状复合陶瓷材料强韧化来源于表面合适的残余应力和裂纹沿界面的偏转或分叉；2）假设一个颗粒在无限大的平面中的作用。该研究是借助现有的计算机程序平台和微积分方程，来计算单个包裹型结构中包裹层对不同大小的内芯的应力作用，与以往的不同在于考虑包裹层以及内芯尺寸效应。着重通过整体的残余应力分布以及界面结合残余应力的影响来设计材料组分、包裹层厚度等以期获得最佳的韧化效果。具有包裹结构的金属-陶瓷多相材料从结构与制备方法均于传统的金属陶瓷不同：1）该研究中材料的微观结构为包裹型即陶瓷相包裹在金属相周围；2）烧结制备过程在固相中进行。其目的就是为了与原有的金属陶瓷加以区别，避免重复金属陶瓷材料失败的老路，在微观结构中使金属相和陶瓷相均匀分布得以实现，为金属与陶瓷有效地复合探索一条新的技术路线。该研究使用的原料来源于有机、无机、金属材料，采用纳米技术和固相烧结制备具有包裹结构的金属－陶瓷复合体，因此该研究中的金属－陶瓷多相材料不同于传统的金属陶瓷材料。主要是通过颗粒表面能的差异在低于金属熔点的温度下烧结陶瓷相并金属Ni（由于钛－氧化铝的设计思路与此相似，原料使用的是含钛聚合物，所以就主要介绍镍－氧化铝体系）被包裹Al_2O_3相在里面。设计包裹显微结构的目的在于，是否可以避免金属相有的氧化和不再过多考虑金属－陶瓷复合体系的润湿性能，以及研究此结构对材料性能的一些影响。