仿生珍珠層金屬陶瓷復合材料制備及力學性能研究

陳 正，鄧 旭*

（電子科技大學，四川 成都 610054）

1 仿生珍珠層金屬陶瓷復合材料滲透方法

最近，研究人員試圖通過使用陶瓷和聚合物來模仿珍珠層復合材料。例如，冰模板法1，逐層排列法2，磁性片層排列法和真空過濾輔助排列法3。金屬鎳是一種具有高拉伸強度，高斷裂韌性和高熔點的金屬，是一種很好的替代品。然而，常規的滲透法不適用于制備納米層狀復合材料。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。基于此，將金屬滲透到100nm孔徑的陶瓷支架中可能需要數十千兆帕斯卡。為了解決這個問題，我們開始構建基本單體來進行處理。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”結構鎳/氧化鋁納米片來制備仿生珍珠層金屬/陶瓷復合材料。結合超聲輔助法，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”納米片層結構。在放電等離子體燒結（SPS）之后，我們成功地制造了一種輕質高強高韌的仿生珍珠層鎳/氧化鋁基復合材料[1]。

2 實驗原材料

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：用于燒結的設備是SPS-625（Fuji Electronic Industrial Co.，Ltd-Sumitomo，Japan）。

材料表征

使用場發射掃描電子顯微鏡（JSM-5700F，JEOL，Japan）

機械測試

Instron 5944測試系統上，以15mm的支撐跨度進行彎曲強度和斷裂韌性測量。

3 氧化鋁納米片制備過程

“殼-核”結構鎳/氧化鋁納米片由氧化鋁納米片通過溶液法制備。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。繼續在室溫下攪拌12h。反應完全后，洗滌沉淀物并用去離子水過濾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”結構鎳/氧化鋁納米片制備過程圖如圖1c所示。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線譜（EDS）對該納米片的形貌和元素分布進行表征。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構的陶瓷/金屬復合材料，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，將漿料轉移到內徑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徑30mm的圓柱形模具中進行單軸靜壓。之后通過在400℃下燒結2h來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。之后通過等離子體放電燒結（SPS）將鎳/氧化鋁納米片結合在一起并形成均勻相。鎳/氧化鋁片層復合材料在30Mpa，1100℃下燒結2分鐘。之后切割燒結的樣品，打磨拋光以進行微觀結構觀察。SEM圖如圖2c所示，暗部是金屬鎳相，亮部是氧化鋁相。通過排水法得到陶瓷相體積分數約為78%。水平排列的氧化鋁納米片在鎳相中均勻分布。（圖2d）

4 氧化鋁復合材料力學性能測試

圖3 仿生珍珠層復合材料的機械性能

通過三點彎曲試驗測試鎳/氧化鋁復合材料的抗彎強度。樣品尺寸為總長度20mm，寬度2mm，厚度2mm。用于三點彎曲測試的樣品，需要打磨拋光以避免產生側邊裂紋。鎳/鋁復合材料的抗彎強度如圖3a所示，強度值為280±20MPa。通過單邊缺口彎曲試驗測試鎳/氧化鋁復合材料的斷裂韌性，樣品尺寸為總長度20mm，寬度2mm，厚度2mm。每個樣品使用金剛石刀片加工切口，預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行預制裂紋。由最大載荷計算的初始韌性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”結構鎳/氧化鋁納米片的制備

圖2 仿生珍珠層復合材料的制備

5 結語

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合材料并進行力學性能表征。首先通過溶液法制備“殼-核”結構單體，然后結合超聲輔助沉降法使片層高度取向排列，最后通過放電等離子體燒結（SPS）處理，得到金屬/陶瓷層狀結構復合材料，隨著進一步改進，輕質高強高韌的仿生珍珠層陶瓷金屬復合材料可具有廣泛的應用[3]。