基于冰模板构筑仿珍珠贝结构的高强韧金属－陶瓷复合材料

Inspired by the fine structure of natural material, mother-of-pearl (nacre), we put forward a hierarchical design concept in this project to develop a low-cost, “top-down” preparation approach to fabricate metal-ceramic composites with high strength and toughness. First, we choose a suitable material system, prepare environmentally friendly water-based ceramic slurry, and construct a well-arranged lamellar ceramic skeleton over a large-scale range by using directional solidification of ice on specially designed substrate patterns. Then, we fill the ceramic skeleton with alloy melt using pressureless or pressure infiltration technique to obtain layered metal-ceramic composite. Further, we compress the material at a high temperature along the direction perpendicular to the lamellae to reduce the metal layer thickness, manipulate the lamellar orientation and develop the “brick-mortar” structure. Finally, the lightweight nacre-like bulk structural composite with high strength and toughness is produced after selective heat treatment. In this process, we aim to achieve effective control of the microstructure in the multi-scale range by optimizing the structural design and preparation process, to reveal alloy infiltration kinetics and reaction mechanism, to clarify the relationships among the processing parameters, microstructure and macroscopic mechanical and physical properties, to establish an optimum way for combination of strength and toughness, to disclose the strengthening and toughening mechanisms, and finally to form a “top-down” preparation prototype for the fabrication of nacre-like bulk structural composites.

受自然材料－珍珠贝－精细结构的启发，本项目提出运用分层设计的理念来发展一种低成本、“自上而下”制备高强韧金属－陶瓷复合材料的新方法。首先，选择合适的材料体系，制备环境友好的水基陶瓷浆料，利用在特殊设计衬底图案上冰的定向凝固在大尺度范围内构建具有规则排列的层状陶瓷骨架；采用无压或压力浸渗向这一陶瓷骨架中渗入合金熔体，获得层状金属－陶瓷复合材料。进一步，对复合材料在高温下沿垂直于层片方向进行压缩，以细化金属层厚度，操控层片取向，形成“砖－泥”结构；随后选择性地进行热处理，最终获得轻质、高强韧的仿珍珠贝结构复合材料。在这一过程中，通过优化结构设计和制备工艺，在多尺度范围内实现对微观结构的有效控制，揭示合金浸渗动力学与反应机制，明确工艺参数－微观结构－宏观力学和物理性能之间的内在联系，创建一种材料强度和韧性的最佳组合途径，阐明强韧化机制，形成“自上而下”制备仿珍珠贝结构复合材料的技术原型。

受自然材料-珍珠贝-精细结构的启发，本项目提出运用分层设计的理念来发展一种低成本、“自上而下”制备高强韧金属-陶瓷复合材料的新方法。通过冷冻铸造技术制备了具有规则排列的层状陶瓷骨架；采用无压或压力浸渗向这一陶瓷骨架中渗入合金熔体，获得仿珍珠贝层状结构金属－陶瓷复合材料。在这一过程中，通过优化结构设计和制备工艺，在多尺度范围内实现了对微观结构的有效控制，揭示出合金浸渗动力学与反应机制，明确了工艺参数-微观结构-宏观力学和物理性能之间的内在联系，并阐明了层状复合材料断裂时微结构的破坏机制和强韧化机理，形成了如下结论：(1)层状陶瓷的片层结构受浆料物理性能，冷冻工艺，添加剂等共同作用。较快的冰晶前沿凝固速率(v)和较低的陶瓷含量导致陶瓷片层厚度减小。添加剂的存在改变了冰晶形核和生长动力学，从而实现了孔形貌的调控。(2)适当的界面反应有助于改善体系的润湿。在反应系统中，合金在多孔基板上的润湿受铺展和浸渗共同作用。(3) 层状复合材料力学性能受片层结构，片层取向，陶瓷含量，界面反应等共同作用。沿着片层方向的压缩强度普遍优于垂直于片层方向的。陶瓷含量的提高以及金属片层厚度的减小往往会导致复合材料的韧性降低，而弯曲和压缩强度增加。适度的界面反应有助于改善界面结合来提高性能，而过度的界面反应则不利，尤其是界面脆性相的生成则可能成为裂纹源，从而削弱材料的性能。(4)层状复合材料的主要韧化机制包括裂纹偏转、裂纹分叉、合金层塑性变形、未开裂韧带的桥接以及多裂纹的产生。主要断裂模式为陶瓷层的脆性断裂和金属片层的塑性断裂。(5)层状复合材料的磨损机制为：磨损前期，复合材料的“自锐化”效应抵抗了大面积的磨损，而在后期，摩擦膜的形成起到了降低磨损的作用。以上研究成果为制备和加工一系列高性能大尺寸仿贝壳结构材料提供了重要参考。