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金屬陶瓷新工藝打開(kāi)研制汽車(chē)用新型復(fù)合材料大門(mén)

2017-02-22 12:51:40 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：汽車(chē)材料網(wǎng) 分享至：

金屬陶瓷的優(yōu)勢(shì)

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(guān)注，由于制備方法的限制阻礙了其發(fā)展。德克薩斯農(nóng)工大學(xué)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(fù)合材料。

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    汽車(chē)、航天以及發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展促使著材料學(xué)家們對(duì)新型工程材料的研發(fā)。陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料又稱(chēng)金屬陶瓷，是一種可以增強(qiáng)運(yùn)輸能力和能量轉(zhuǎn)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(diǎn)，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(guò)程中其主要成分一旦在發(fā)生反應(yīng)，金屬陶瓷便會(huì)失效。

    金屬陶瓷新工藝

    德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種快速且有效的技術(shù)，能夠?qū)⑻沾珊徒饘偌庸こ山饘偬沾桑覂烧邘缀醪话l(fā)生反應(yīng)。這一突破打開(kāi)了性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料研制的大門(mén)。大多數(shù)陶瓷和金屬在高溫下復(fù)合是不穩(wěn)定的，容易發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致最終的復(fù)合材料具有易脆或不耐熱等缺陷。材料科學(xué)工程系副系主任Miladin Radovic博士認(rèn)為：“這嚴(yán)重阻礙了新型復(fù)合材料的研發(fā)，而難以滿(mǎn)足我們的發(fā)展需求。”

    Radovic與材料科學(xué)與工程系主任Ibrahim Karaman教授，以及幾個(gè)博士生、本科生聯(lián)合開(kāi)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(fù)合，合成穩(wěn)定、高性能的復(fù)合材料。僅需9秒鐘，利用CAPAI方法便將陶瓷和金屬?gòu)?fù)合，且兩者之間幾乎沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)。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?yàn)榍罢哔|(zhì)量輕、耐腐蝕，且在汽車(chē)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(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。用兩者合成的輕質(zhì)金屬陶瓷具有高強(qiáng)度和良好的溫度穩(wěn)定性。

    Radovic稱(chēng)：“電流加熱的同時(shí)施加壓力，從而可以有效地驅(qū)動(dòng)熔融金屬進(jìn)入陶瓷預(yù)制件。這種方法加熱速度很快且可控，最高可達(dá)700攝氏度，提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)避免陶瓷和熔融金屬之間的反應(yīng)。”

    研究人員發(fā)現(xiàn)，所得到的復(fù)合材料（Ti3AlC3/Al）質(zhì)量很輕，在環(huán)境溫度（室溫）和高溫下都有很好的機(jī)械性能。它的強(qiáng)度在室溫下比鋁合金強(qiáng)10倍，在400℃下強(qiáng)14倍，并且在暴露于高溫后不易發(fā)生嚴(yán)重降解。

    Radovic解釋說(shuō)：“鋁和鈦鋁碳化物挑戰(zhàn)了生產(chǎn)所需復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法，因?yàn)樗鼈兎磻?yīng)所需溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它們?cè)趶?fù)合材料中結(jié)合所需的溫度。CAPAI方法能夠加工傳統(tǒng)粉末冶金和常規(guī)滲透技術(shù)不能加工的新型陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。”

    前景樂(lè)觀

    Radovic對(duì)這種新型先進(jìn)復(fù)合材料的前景保持樂(lè)觀，認(rèn)為這將為工業(yè)化的經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)制造創(chuàng)造無(wú)限機(jī)會(huì)。該研究得到了美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室以及多學(xué)科高校研究創(chuàng)新計(jì)劃（MURI）對(duì)德州農(nóng)工大學(xué)研究員的授權(quán)資助。