陶瓷增强金属基复合材料

复合材料可以结合不同材料的优点,提供更佳的材料性能。例如抗撞击性,复合材料为材料微观和宏观尺度上的设计提供了多种可能性。可以通过结构的调节来满足不同条件下特定的性能需求。抗撞击性主要取决于材料在一定的实效模式下对能量的吸收。

我们把柔软的金属基体和脆的陶瓷添加物结合起来,就可以得到具有高抗失效性能的金属基复合材料。在这个研究领域,相变诱导塑性(TRIP)钢由于其较低的应变硬化,是一种很好的基体材料。这种性能来源于受力所导致的奥氏体到马氏体的相变。在ZrO2材料中我们也能观察到类型的相变行为。

一般来讲,这种相变会导致材料体积的增加,而且会超出陶瓷材料临界断裂长度。虽然这使得纯的ZrO2材料无法被很好地应用,但我们也可以用它来对另一种材料进行强化。德国Technische Universität Bergakademie Freiberg的研究人员对亚稳态的奥氏体TRIP钢结合镁掺杂稳定化的ZrO2(Mg-PSZ)进行了研究。

他们在室温下利用陶瓷塑性挤出成型的方法来制备蜂窝状的宏观结构。这种方法可以很好的将钢材和几微米大小的陶瓷颗粒很好均匀地混合在一起。烧结之后,对这种材料的单轴抗压性能进行测试。

除了电子显微镜和X-射线显微分析之外,德国的科学家们还用背散射电子衍射的方法(EBSD)对材料的微观结构进行了表征。通过EBSD我们可以测定材料的晶粒取向。它还可以被用作相分析,因为EBSD可以提供材料点阵的对称信息。

实验结果表面,通过加入陶瓷颗粒的强化,复合材料的机械性能得到明显的提高。抗压强度以及塑性形变比吸收能的提高使该材料可以得到更广泛的应用。

但是,部分稳定化的ZrO2颗粒在烧结后的相成分会发生变化。研究人员认为如果降低材料中非相变ZrO2颗粒的比例,还可以进一步提高强化的效果。而且,他们需要进一步对烧结过程中TRIP钢和ZrO2材料之间的化学作用进行研究。

C. Weigelt et al., Adv. Eng. Mater. 2012, DOI:10.1002/adem.201100126