科学家发现 添加锆原子可改善超强复合材料

盖世汽车讯 陶瓷基复合材料CMC硬度高，通常用于喷气发动机、燃气轮机和镍合金切削工具；氧化铝（AlO）坚硬高且具有良好的化学惰性；碳化钨（WC）作为超硬材料，但在制备AlO-WC CMCs方面，过去的尝试并没有有好的结果。而日前，据外媒报道，日本科学家发现通过添加锆原子可改善AlO-WC CMCs。

（图片来源：名古屋大学）

由于AlO-WC CMCs有可能被用作超硬材料，因此世界各地的研究人员潜心研究，想找到一种可以增强其弯曲强度的方法。弯曲强度是指材料在弯曲负荷作用下破裂或达到规定挠度时能承受的最大应力。之前，没有人可以开发出弯曲强度大于1吉帕斯卡的AlO-WC CMCs，也就是说，早期的AlO-WC CMCs的性能均比不上当前的CMCs材料。因此，为了获得更大的弯曲强度，日本名古屋大学的科学家与NGK Spark Plug Co.，Ltd.（日本特殊陶業株式会社）合作开展了一项研究，在制备AlO-WC CMCs时添加了少量的二氧化锆（ZrO），结果制备出弯曲强度大于2吉帕斯卡的“超硬” AlO-WC CMCs。正如首席研究员Tomohiro Nishi博士和Katsuyuki Matsunaga博士所所说：“此次发现打破了超硬材料弯曲强度的记录。”

值得注意的是，研究人员是通过适当添加ZrO从而大大提高弯曲强度，而这种添加剂仅占成品Al2O3-WC CMCs重量的不到5％，低于CMCs添加剂的常规量。当使用原子级分辨率透射电子显微镜观察超硬ZrO2增强AlO-WC CMCs的结构时，研究人员发现Zr原子介于AlO和WC片材之间。关于AlO和WC片材间的界面，Nishi博士和Matsunaga博士表示，“该界面通常是机械性能的薄弱点。” 所以说，片材间的界面是Zr原子发挥增强AlO-WC CMCs效果的最佳位置。当研究人员使用特定数理物理学技术，即密度泛函理论，对Zr原子的作用进行建模时，结果表明，Zr原子所在界面层可以增强CMCs的稳定性。

研究人员认为新型CMCs具有巨大发展潜力。谈到其潜在应用时，Matsunaga博士表示：“新材料可用作金属加工设备中的超硬材料，对飞机和汽车领域使用的硬质金属部件进行切割。” 实际上，NGK Spark Plug Co.的工程师已将这种材料作为切削工具组件进行了商业化开发。增强AlO-WC CMCs的成功制备表明，只需少量添加剂，也能大幅改善材料物理性能。