供稿人:鲁中良 赵洪炯 发布日期：2018-06-11
加州伯克利分校和密苏里科技大学的学者们最近研究出利用直写成型、热压烧结的方法来成型砖块结构的金属陶瓷。成型方法如图1所示，采用Al2O3作为芯部材料，用NiO作为外壳材料，成型之后经过热压烧结得到砖混结构的复合陶瓷，最终在H2氛围下外壳材料NiO还原为Ni金属，从而得到砖混结构的金属陶瓷。
图1 成型原理示意图
具体方法是：在热塑性材料（聚乙烯-丙烯酸乙酯）的玻璃转化温度以上，将陶瓷颗粒（Al2O3颗粒，4vol%的ZrO2颗粒）加入其中充分搅拌制得固相含量为55vol%的芯部浆料，然后将其注入到直径为20.4mm圆柱模具中，冷却之后用作芯部材料；使用同样的方法加入45μm的NiO制得外壳浆料，注入间隙为1mm的两个半环形模具中冷却。将上述两种冷却的热塑性材料组装到图1中的料筒中，对料筒进行冷却以保持核壳的结构，并对喷嘴加热使之熔化，并通过机械挤压的方法挤出成型。将所挤出的材料进行脱脂（600℃，2h）去除其中的有机物，并经过热压烧结（1400℃，32MPa，1h）得到砖混结构的Al2O3/NiO材料。进而在H2氛围中保温10h，使外壳材料NiO还原为Ni，并且在金属和陶瓷的表面生成Al2NiO4尖晶石。
文章对比了砖混结构的大小对砖混结构的性能的影响（如图2左所示）。从500μm到200μm，喷嘴直径降低了60%，材料的弯曲强度提高了45%（从110±8MPa到158±24MPa），但低于纯氧化铝的强度（~400MPa）。从500μm到200μm，断裂韧性提高了20%（从3.4MPam1/2到4.1 MPam1/2）。
对这种具有独特结构的材料，文章探究对裂纹扩展的影响。从图2右图可以看出，裂纹在传播的过程中，砖混结构的“混凝土”部分可以起到较好的阻碍裂纹扩展的效果。
图2.砖混结构的大小对性能影响
目前的Al2O3/Ni砖混结构与整体式氧化铝相比，具有优异的韧性，但弯曲强度低。但是，我们有理由相信这种结构有可能继续利用金属“混凝土”获得更高的韧性和强度，因为在目前的材料中，位移很大程度上是沿着陶瓷/金属界面发生的，仅产生稳定的亚临界裂缝而不发生灾难性断裂。未来，为了充分利用金属“混凝土”的剪切/拉伸强度的潜力，需要在“混凝土”内部产生裂纹，这将显著提高强度并且可能进一步提高韧性。