仿生珍珠层Ni/Al2O3复合材料制备及力学性能研究

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自然中的材料一般具有多尺度复杂分级结构特点。正因为如此,它们常常表现出令人惊讶的力学性能特征,远远超过其组成分的性能。它们为未来高强高韧轻质结构材料的开发提供了一条理想的路径。然而这些结构很难得到较好的复制。但是简单一点的,例如具有砖泥结构的珍珠层,我们已经能够使用有机聚合物渗透冻干法制备的陶瓷支架来进行模仿。这些仿生珍珠层陶瓷能够表现出优异的韧性,但是使用有机延性相通过冻干法制备高体积分数(>90%)并且耐高温的陶瓷结构是不切实际的。此外,理论模型表明,如果使用金属代替聚合物,可以获得更高的强度及韧性。使用“自上而下”的冻干法会遇到极大的困难,因为金属难以浸润陶瓷,高毛细压力会阻止金属渗透陶瓷支架。为了解决这些问题,我们开发了一种替代方法(“自下而上”)来合成含有金属Ni延性相的珍珠层结构陶瓷。我们使用“壳-核”结构单体,通过磁辅助法排列取向,然后经过热压烧结制备复合材料。我们通过对“壳-核”结构Ni/Al2O3纳米片单体烧结工艺的探索,分析烧结时长,烧结温度及金属Ni成分占比对形貌及力学性能的影响,从而选取合适的烧结条件,优化烧结过程,制备出具有最佳力学性能的Ni/Al2O3片层复合材料。通过这一方法,我们成功地制备了珍珠层金属/陶瓷复合材料,并对其形貌结构和机械性能进行了表征。我们通过使用具有金属Ni涂覆的Al2O3片层及适当条件的热压处理,成功避免了在烧结过程中金属Ni的不浸润现象。最终,我们成功制备出仿生珍珠层Ni/Al2O3陶瓷,其抗弯强度达到374 MPa,断裂韧性达到8.4 MPa·m1/2,抗裂纹曲线韧性达到15.3 MPa·m1/2。结果表明,该仿生珍珠层Ni/Al2O3陶瓷具有极高的应用前景。
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