陶瓷基復(fù)合材料(CMC)是堅(jiān)固的材料，用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)和鎳超級(jí)合金的切削工具。氧化鋁(Al 2 O 3)堅(jiān)硬且化學(xué)惰性，碳化鎢(WC)被用作超硬材料，但是過(guò)去為創(chuàng)建Al 2 O 3 -WC CMC所做的努力并未獲得令人滿意的結(jié)果。最近，科學(xué)家發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上的一項(xiàng)研究表明，添加鋯原子可改善Al 2 O 3 -WC CMC。

鑒于Al 2 O 3 -WC CMC作為超硬材料的潛在用途，世界各地的研究人員已經(jīng)測(cè)試了幾種配方，以鑒定一種具有高彎曲強(qiáng)度的配方，這是一種衡量材料在變?yōu)椴牧现八惺艿奈锢響?yīng)力的方法。永久彎曲或折斷。以前，沒(méi)有團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出抗彎強(qiáng)度大于1吉帕斯卡的Al 2 O 3 -WC CMC，這意味著那些早期的Al 2 O 3-WC CMC不能勝過(guò)現(xiàn)有CMC材料。為了獲得更大的彎曲強(qiáng)度，上述科學(xué)家團(tuán)隊(duì)由名古屋大學(xué)的科學(xué)家與NGK Spark Plug Co.，Ltd.共同進(jìn)行了一項(xiàng)研究。在創(chuàng)建Al 2 O 3 -WC CMC時(shí)添加少量的二氧化鋯(ZrO 2)。該添加產(chǎn)生了抗彎強(qiáng)度大于2吉帕斯卡的“超硬” Al 2 O 3 -WC CMC。正如首席研究員西友博宏和松永勝之博士所指出的那樣，“這是該領(lǐng)域的歷史最高水平。”

值得注意的是，研究人員通過(guò)相對(duì)適度地添加ZrO2實(shí)現(xiàn)了這些顯著的彎曲強(qiáng)度改進(jìn)。添加劑占成品Al 2 O 3 -WC CMC的質(zhì)量的不到5%，這小于添加劑增強(qiáng)的CMC中通常存在的添加劑的量。當(dāng)研究人員使用一種稱為原子分辨率掃描透射電子顯微鏡的方法研究其超硬ZrO2增強(qiáng)的Al 2 O 3 -WC CMC的結(jié)構(gòu)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)Zr原子位于Al 2 O 3和Al 2 O 3薄板之間的薄層中。廁所。關(guān)于Al 2 O 3之間的界面Nishi博士和Matsunaga博士指出，“ WC薄板在機(jī)械性能方面通常是薄弱點(diǎn)。” 因此，片之間的界面是Zr原子發(fā)揮增強(qiáng)Al 2 O 3 -WC CMC效果的合理位置。確實(shí)，當(dāng)研究人員使用數(shù)學(xué)物理學(xué)領(lǐng)域的一種稱為密度泛函理論的技術(shù)對(duì)Zr原子的效應(yīng)進(jìn)行建模時(shí)，他們的結(jié)果表明Zr原子的界面層將增強(qiáng)其CMC的穩(wěn)定性。

研究人員預(yù)見(jiàn)到他們的新型CMC的光明前景。Matsunaga博士在評(píng)論其潛在應(yīng)用時(shí)說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)的材料可用作金屬加工設(shè)備中的超硬材料，用于切割飛機(jī)和汽車中使用的硬質(zhì)金屬部件。” 實(shí)際上，他們注意到NGK Spark Plug Co.的工程師已經(jīng)將這種材料作為切削工具的組件進(jìn)行了商業(yè)化。

這些增強(qiáng)的Al 2 O 3 -WC CMC的產(chǎn)生是物理性能顯著改善的一個(gè)示例，可以通過(guò)在材料中添加相對(duì)少量的添加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2020年12月3日，《科學(xué)報(bào)告》(Scientific Reports)發(fā)表了論文“通過(guò)稀釋摻雜劑的界面分離，極大提高了機(jī)械強(qiáng)度的先進(jìn)超硬復(fù)合材料” 。

標(biāo)簽： 超強(qiáng)復(fù)合材料