冷凍鑄造法制備仿珍珠貝結(jié)構(gòu)高性能復(fù)合材料

張紫瑤 楊春梅 楊思源 董明軒 孔繁軼 阿拉騰沙嘎

摘? 要：近幾年來復(fù)合材料被應(yīng)用于各種領(lǐng)域，越來越好的發(fā)展前景促使我們研究以更簡(jiǎn)便的方法制備更高性能的復(fù)合材料。采用冷凍鑄造法（即冰模板法）是制備仿生結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的一種有效途徑。冷凍鑄造法操作簡(jiǎn)便、可以得到多尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)，采用該技術(shù)制備的仿珍珠貝層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有高強(qiáng)韌性。

關(guān)鍵詞：冷凍鑄造法;復(fù)合材料;仿珍珠貝結(jié)構(gòu)

隨著軍事、交通、航天航空以及新能源等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)材料性能上的要求也越來越高，傳統(tǒng)的單一材料（如金屬、陶瓷等）已經(jīng)不能滿足應(yīng)用要求。復(fù)合材料是人們運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料組分，以所設(shè)計(jì)的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在;具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。復(fù)合材料具有單一材料不全具有的高強(qiáng)度、高模量、可在高溫下使用、耐沖擊性好、抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變、活性低、耐輻射、放射余熱較低等諸多優(yōu)異性能，使復(fù)合材料逐漸走入大眾的視野并被當(dāng)今社會(huì)廣泛使用。根據(jù)材料的種類，復(fù)合材料可以分別為金屬-陶瓷復(fù)合材料，陶瓷-聚合物復(fù)合材料和陶瓷-陶瓷復(fù)合材料，其中陶瓷基復(fù)合材料在高溫環(huán)境下具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異性能，目前在航空航天、核能、汽車、石油化工、微電子等多個(gè)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。但是陶瓷基復(fù)合材料中隨著陶瓷含量的增加而脆性增加，限制了其廣泛應(yīng)用;另外其高強(qiáng)度、高硬度也給材料加工帶來較大困難，尤其是帶有復(fù)雜表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零部件，加工周期長(zhǎng)，成本昂貴，已成為瓶頸問題[1]。

大自然的很多軟體動(dòng)物貝殼、海龜外殼、昆蟲角質(zhì)層等為了應(yīng)對(duì)外來的攻擊、避免內(nèi)部組織的傷害，不僅具有良好的機(jī)械性能而且還呈現(xiàn)出較好的耐磨性，它們的礦化程度有所不同，一般作用為防護(hù)裝甲和支撐功能。近年來，人們發(fā)現(xiàn)了來自大自然贈(zèng)予我們的天然材料—貝殼。到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5萬(wàn)多種貝殼，但是這5萬(wàn)種貝殼當(dāng)中實(shí)際上只有7種微結(jié)構(gòu)。在這7種微結(jié)構(gòu)當(dāng)中，有一種叫作珍珠母，它具有最好的力學(xué)性能。珍珠母是由硬相和軟相交替層疊排列形成了―“磚?泥”納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，其硬相―“磚”主要是由直徑約為 5～8 μm、厚度約為 200～900 nm的文石片（CaCO₃）組成，占據(jù) 95 vol.%，軟相―“泥”主要是由 10～50 nm厚的有機(jī)質(zhì)組成，占據(jù) 5vol.%。珍珠母的斷裂功是形成它的碳酸鈣晶片斷裂功的3000倍;它產(chǎn)生的變形是它本身晶片產(chǎn)生變形的10倍以上，它是一種有序的結(jié)構(gòu)，正是這種有序結(jié)構(gòu)和無(wú)序結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致了珍珠母與其他無(wú)序結(jié)構(gòu)的材料在力學(xué)性能上的巨大的差異。這種超常的韌性歸因于它的這種宏觀到微觀的多尺度、多層次的精細(xì)“磚-泥”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)為人工制備高性能復(fù)合材料提供了重要啟發(fā)。我們可以通過仿生結(jié)構(gòu)來增加陶瓷基復(fù)合材料的韌性，從而克服陶瓷材料最根本的脆性問題[2]。

冷凍鑄造原理是通過改變冷凍鑄造技術(shù)的參數(shù)來控制冰晶的形成和生長(zhǎng)，從而獲得具有特定孔隙率的多孔材料。首先以陶瓷粉體和水的混合物作為原料，采用冷凍鑄造技術(shù)將原料進(jìn)行定向凝固，制備出精細(xì)片層多孔陶瓷;然后通過浸滲技術(shù)將金屬或樹脂等軟相材料填充到這種層狀多孔陶瓷中，以制備出具有優(yōu)異綜合性能的仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料。冷凍鑄造技術(shù)的工藝流程主要包括四個(gè)階段：陶瓷懸浮液的制備、懸浮液的定向凝固、陶瓷冷凍體中的溶劑的升華、陶瓷坯體的燒結(jié)。冷凍鑄造技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：陶瓷漿料溶劑的升華可以避免生坯在正常干燥時(shí)由于干燥收縮和應(yīng)力而可能產(chǎn)生的裂縫;對(duì)環(huán)境無(wú)害，適用的材料體系廣;添加劑量少，陶瓷坯體的脫脂時(shí)間短;制備的陶瓷坯體的孔形貌可控，且具有更優(yōu)良的力學(xué)性能。因此，冷凍鑄造技術(shù)不但能夠?qū)崿F(xiàn)鑄件的近凈形化，同時(shí)對(duì)環(huán)境友好，制備的材料具有較高的強(qiáng)韌性[3]。

綜上所述，采用冷凍鑄造技術(shù)來制備精細(xì)層狀結(jié)構(gòu)多孔陶瓷，再進(jìn)一步結(jié)合浸滲技術(shù)將制備出仿珍珠貝層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，這為制備高性能復(fù)合材料提供了嶄新的制備思路。冷凍鑄造法制備的仿珍珠貝層狀結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料在很大程度上解決了陶瓷材料脆性大的問題。在未來的發(fā)展中，該方法將不斷發(fā)展成為制備先進(jìn)復(fù)合材料的新技術(shù)，從而大范圍應(yīng)用在航空航天、核能、汽車、石油化工、微電子等多個(gè)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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[2]? Wegst U G K，Bai H，Saiz E，et al. Bioinspired structural materials. Nat Mater，2015，14：23?36.

[3]? Deville S，Saiz E，Tomsia A P. Ice-templated porous alumina structures. Acta Mater，2007，55：1965?1974.

基金支持：吉林建筑大學(xué)2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，項(xiàng)目編號(hào)201910191024