首尔国立大学&加州大学&劳伦斯伯克利国家实验室Nat. Commun.：块状金属玻璃合金为兼容相的仿珍珠质氧化铝

【引言】

用于航空航天、能源和运输等结构应用的新材料往往需要能够在侵蚀性和高温的环境中安全使用，此外对于航空应用还需要材料密度较低。陶瓷是一种满足上述使用需求的材料，但是陶瓷的拉伸延展性和断裂韧性都较差，造成突发故障不易避免。而自然界存在诸如珍珠质等很多具有优异强度和韧性的耐损陶瓷类材料，并且是通过机械性能并不突出的单种成分得到的。这些通常具有复杂分级和多尺度的结构，使得硬质矿物和软质有机相产生取向、结构梯度或者分级界面，进而提高了机械性能。计算模型和仿生方法已表明利用珍珠质和其他生物材料中的设计原理和增强/增韧机制有望获得基于现有工程陶瓷的新型轻质结构材料。目前共挤出、放点-等离子体烧结和添加剂制造等也被应用于仿珍珠质陶瓷材料的制备，而冷冻浇铸后浸润金属砂浆材料是其中一种有效方法，不仅可以产生具有复杂分级微结构的陶瓷材料，还具有制造强界面粘合的陶瓷-金属杂化材料的潜力。但是它们的加工仍具有挑战性，因为金属通常不会润湿陶瓷。

【成果简介】

近日，首尔国立大学Eun Soo Park教授与加州大学、劳伦斯伯克利国家实验室Robert O. Ritchie教授合作，成功合成了仿珍珠质的氧化铝结构，该结构中含有玻璃合金作为兼容相。通过接触角测量和静电悬浮证实了陶瓷支架的长度尺度及其对液态合金的优异润湿性。Zr基块状金属玻璃在氧化铝上能够几秒内完全润湿，表明两种材料在界面处发生了共形结合。最后本文还考察了加工条件对陶瓷-金属界面的影响。该成果以题为"Bioinspired nacre-like alumina with a bulk-metallic glass-forming alloy as a compliant phase"发表在国际著名期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图1 块状金属玻璃的热物理性质

(a) Zr₄₆Cu_30.14Ag_8.36Al₈Be_7.5块状金属玻璃形成的合金熔体的表面张力；

(b) Zr₄₆Cu_30.14Ag_8.36Al₈Be_7.5块状金属玻璃形成的合金熔体的粘度。

图2 氧化铝上块状金属玻璃的润湿速率和程度

图3 陶瓷的X射线衍射

(a) 浸润在1153K和1273K的具有层状结构的氧化铝/块状金属玻璃陶瓷的XRD图案；

(b) 浸润在1153K和1273K的具有实体结构的氧化铝/块状金属玻璃陶瓷的XRD图案。

图4 氧化铝/块状金属玻璃合金材料的SEM照片

(a, c) 具有层状结构的氧化铝/块状金属玻璃合金材料的SEM图片；

(b, d) 具有实体结构的氧化铝/块状金属玻璃合金材料的SEM图片；

(e) 浸润在1153K的具有层状结构的陶瓷中的金属-陶瓷界面的SEM图片；

(f) 浸润在1273K的具有层状结构的陶瓷中的金属-陶瓷界面的SEM图片；

(g) 浸润在1153K的具有实体结构的陶瓷中的金属-陶瓷界面的SEM图片；

(h) 浸润在1273K的具有实体结构的陶瓷中的金属-陶瓷界面的SEM图片。

图5 陶瓷的差示扫描量热结果

图6 陶瓷的弯曲强度和断裂韧性

(a) 浸润温度对层状结构和实体结构样品的抗弯强度的影响；

(b) 浸润温度对层状结构和实体结构样品的断裂韧性的影响。

图7浸润在1273K的实体氧化铝/块状金属玻璃材料的抗裂曲线

图8 氧化铝/块状金属玻璃材料样品的裂缝结构的SEM照片

(a, b) 与浸润在1273K中的样品相比，浸润在1153K中的层状结构样品显示出较少的裂纹偏转行为；

(c, d) 与浸润在1273K中的样品相比，浸润在1153K中的实体结构样品显示出较少的裂纹偏转行为。

图9 SEM照片和微悬臂梁测试结果

(a) 用于界面韧性测试的代表性微悬臂样品；

(b) 1153 K（蓝色）和1273 K（红色）浸润样品的条件应力强度-位移曲线；

(c, e) 1153 K浸润样品的断裂表面的SEM图片；

(d, f) 1273 K浸润样品的断裂表面的SEM图片。

图10 层状结构的氧化铝/块状金属玻璃材料的SEM图片

(a) 1153K浸润材料在金属和氧化铝之间显示出尖锐界面和刻面结晶（Zr2Cu）相；

(b) 1273K浸润材料在金属和氧化铝之间显示出界面的侵蚀。

【小结】

本文中，作者通过锆基块状金属玻璃砂浆的快速无压浸润制造氧化铝结构，其中该玻璃砂浆能够反应性地润湿冷冻铸造氧化铝预制件的表面。所得氧化铝的机械性能随着浸润温度和陶瓷含量而变化，导致弯曲强度和断裂韧性之间的折衷。研究证实，高韧性归因于陶瓷的拉出和沿陶瓷/金属界面的裂缝偏转。由于这些机制是通过界面破坏而不是金属砂浆内的失效来实现的，因此优化这些生物启发材料以获得损伤容限的潜力仍未完全实现。

文献链接：Bioinspired nacre-like alumina with a bulk-metallic glass-forming alloy as a compliant phase(Nat. Commun. 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08753-6)

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