仿生珍珠層金屬陶瓷復(fù)合材料制備及力學(xué)性能研究

陳 正，鄧 旭*

（電子科技大學(xué)，四川 成都 610054）

1 仿生珍珠層金屬陶瓷復(fù)合材料滲透方法

最近，研究人員試圖通過(guò)使用陶瓷和聚合物來(lái)模仿珍珠層復(fù)合材料。例如，冰模板法1，逐層排列法2，磁性片層排列法和真空過(guò)濾輔助排列法3。金屬鎳是一種具有高拉伸強(qiáng)度，高斷裂韌性和高熔點(diǎn)的金屬，是一種很好的替代品。然而，常規(guī)的滲透法不適用于制備納米層狀復(fù)合材料。滲透壓力與金屬和陶瓷界面的相互作用、熔融相的粘度和孔隙的直徑直接相關(guān)。基于此，將金屬滲透到100nm孔徑的陶瓷支架中可能需要數(shù)十千兆帕斯卡。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)始構(gòu)建基本單體來(lái)進(jìn)行處理。我們首先將金屬鎳層涂覆在氧化鋁納米片上，然后使用該“殼-核”結(jié)構(gòu)鎳/氧化鋁納米片來(lái)制備仿生珍珠層金屬/陶瓷復(fù)合材料。結(jié)合超聲輔助法，在納米片層沉降后，我們可以很容易地得到具有水平排列的“殼-核”納米片層結(jié)構(gòu)。在放電等離子體燒結(jié)（SPS）之后，我們成功地制造了一種輕質(zhì)高強(qiáng)高韌的仿生珍珠層鎳/氧化鋁基復(fù)合材料[1]。

2 實(shí)驗(yàn)原材料

10μm氧化鋁片(Alusion?)由（Antaria Limited，Australia）提供，七水合硫酸鎳（Sigma-Aldrich），碳酸氫銨（Sigma-Aldrich），聚（乙二醇），Mn=4600（Sigma-Aldrich）

儀器和設(shè)備

超聲波浴：超聲水（Branson B5510超聲波清潔器，40 kHz）

放電等離子燒結(jié)：用于燒結(jié)的設(shè)備是SPS-625（Fuji Electronic Industrial Co.，Ltd-Sumitomo，Japan）。

材料表征

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（JSM-5700F，JEOL，Japan）

機(jī)械測(cè)試

Instron 5944測(cè)試系統(tǒng)上，以15mm的支撐跨度進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性測(cè)量。

3 氧化鋁納米片制備過(guò)程

“殼-核”結(jié)構(gòu)鎳/氧化鋁納米片由氧化鋁納米片通過(guò)溶液法制備。氧化鋁納米片直徑為8μm～10μm，厚度為500nm～800nm，（圖1a和圖1b），直徑和厚度縱橫比約為10～20。為了在氧化鋁納米片上合成鎳殼，將氧化鋁納米片懸浮在去離子水（20g/L）中。在磁力攪拌下將七水合硫酸鎳物（0.8M）和碳酸氫銨溶液（1.5M）逐漸加入懸浮液中。繼續(xù)在室溫下攪拌12h。反應(yīng)完全后，洗滌沉淀物并用去離子水過(guò)濾4次，然后在60℃下干燥12h。將干燥的片層在600℃下加熱2h，然后在700℃下氫氣還原2h。其“殼-核”結(jié)構(gòu)鎳/氧化鋁納米片制備過(guò)程圖如圖1c所示。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線譜（EDS）對(duì)該納米片的形貌和元素分布進(jìn)行表征。圖1d顯示鎳元素完全覆蓋在氧化鋁片表面并形成均勻的殼層[2]。

為了制備類似珍珠層結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料，鎳/氧化鋁納米片必須水平密集地排列。在這里，我們采用了超聲輔助沉降法，使納米片層高度水平密集排列。首先，將5g金屬鎳涂覆的氧化鋁薄片懸浮在15ml，PH=4的去離子水中，加入1g聚（乙二醇）作為粘合劑。攪拌30分鐘后，將漿料轉(zhuǎn)移到內(nèi)徑30mm的圓柱形鐵氟龍模具中并超聲。保持超聲輔助沉降30分鐘，然后在45℃干燥箱中干燥2天。超聲處理可以幫助納米片層水平密集排列。將干燥后的圓柱狀塊體放入內(nèi)徑30mm的圓柱形模具中進(jìn)行單軸靜壓。之后通過(guò)在400℃下燒結(jié)2h來(lái)去除塊體中的聚合物。單軸靜壓后的氧化鋁納米片層顯微組織的橫截面顯示在圖2b中。之后通過(guò)等離子體放電燒結(jié)（SPS）將鎳/氧化鋁納米片結(jié)合在一起并形成均勻相。鎳/氧化鋁片層復(fù)合材料在30Mpa，1100℃下燒結(jié)2分鐘。之后切割燒結(jié)的樣品，打磨拋光以進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。SEM圖如圖2c所示，暗部是金屬鎳相，亮部是氧化鋁相。通過(guò)排水法得到陶瓷相體積分?jǐn)?shù)約為78%。水平排列的氧化鋁納米片在鎳相中均勻分布。（圖2d）

4 氧化鋁復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試

圖3 仿生珍珠層復(fù)合材料的機(jī)械性能

通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試鎳/氧化鋁復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度。樣品尺寸為總長(zhǎng)度20mm，寬度2mm，厚度2mm。用于三點(diǎn)彎曲測(cè)試的樣品，需要打磨拋光以避免產(chǎn)生側(cè)邊裂紋。鎳/鋁復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度如圖3a所示，強(qiáng)度值為280±20MPa。通過(guò)單邊缺口彎曲試驗(yàn)測(cè)試鎳/氧化鋁復(fù)合材料的斷裂韌性，樣品尺寸為總長(zhǎng)度20mm，寬度2mm，厚度2mm。每個(gè)樣品使用金剛石刀片加工切口，預(yù)制切口至其厚度的約40%～45%，再使用1μm金剛石懸浮液涂抹的刀片進(jìn)行預(yù)制裂紋。由最大載荷計(jì)算的初始韌性KIC為3±0.4MPa·m1/2。該KIC略高于氧化鋁的典型值。（圖3b）。

圖1 “殼-核”結(jié)構(gòu)鎳/氧化鋁納米片的制備

圖2 仿生珍珠層復(fù)合材料的制備

5 結(jié)語(yǔ)

在本文中，我們成功地制造了基于鎳/氧化鋁納米片的仿生珍珠層復(fù)合材料并進(jìn)行力學(xué)性能表征。首先通過(guò)溶液法制備“殼-核”結(jié)構(gòu)單體，然后結(jié)合超聲輔助沉降法使片層高度取向排列，最后通過(guò)放電等離子體燒結(jié)（SPS）處理，得到金屬/陶瓷層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，隨著進(jìn)一步改進(jìn)，輕質(zhì)高強(qiáng)高韌的仿生珍珠層陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料可具有廣泛的應(yīng)用[3]。