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科技日報記者 郝曉明
輕質、高強韌、高阻尼材料對于促進結構減重、保障安全服役，以及提升減振、吸能、降噪等功能具有重要作用，在航空航天、精密儀器等領域具有廣泛應用前景。記者1月30日從中國科學院金屬研究所獲悉，該所科研人員與國內外科研團隊合作，發明出一種具有高輕、高強、高阻尼性能的仿生材料——鎂-MAX相仿生金屬陶瓷。該研究成果近日在《Materials Today》發表并已申請發明專利。
由金屬和陶瓷組成的復合材料又稱為金屬陶瓷。金屬陶瓷綜合了陶瓷和金屬的性能優勢，并可同步獲得輕質、高強韌、高阻尼性能，但現有金屬陶瓷大多以強化相分散于連續基體相中，各相三維空間連通性較差。
“由于缺乏特定空間構型設計，金屬陶瓷難以兼具陶瓷的高強度與金屬的高韌性，同時阻尼系數普遍偏低，并且隨著強度提升而進一步下降。”中科院金屬所科研人員介紹。
自然界中的貝殼、骨骼等天然生物材料各組成相在三維空間均能保持連續并且相互貫穿，以此可實現不同性能和優勢的高效結合。受這種巧妙結構啟發，中科院金屬所科研人員選用了兼具金屬和陶瓷特性并且與鎂界面潤濕性良好的MAX相陶瓷作為組元，利用含氧氣氛下的可控球磨工藝，將MAX相剝離成亞微米尺度薄片，再利用真空抽濾實現陶瓷薄片的擇優定向排列，從而將鎂熔體浸滲入部分燒結的多孔陶瓷骨架中，研制出具有超細尺度三維互穿類貝殼結構的新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷材料。
據介紹，新型仿生金屬陶瓷材料在密度與鋁合金相當的條件下（2.79g·cm-3），其室溫壓縮與彎曲強度均超過1GPa，即使在200攝氏度下，其強度依然接近700MPa，均顯著高于各組元以及其他鎂-陶瓷復合材料，同時獲得了超過350MPa/(g·cm-3)的超高比強度，高于絕大多數塊狀鎂及鎂合金、陶瓷以及其他金屬-陶瓷復合材料。
據悉，新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷表現出超過單一鎂組元的優異阻尼性能以及良好的斷裂韌性，在承載、減振等方面具有獨特優勢，有望應用于航空航天、精密儀器等領域，且該仿生設計思路也可為開發新型高性能金屬陶瓷材料提供有益啟示。
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