金屬陶瓷層狀復(fù)合材料制備工藝與失效機(jī)制研究進(jìn)展

張 振,周 玖,周 婕,朱 軍,王安哲,周 琦

（1．南京工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京211167；2．江蘇省先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211167；3．南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210094）

陶瓷材料具有高硬度、高強(qiáng)度、極佳的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等特性，但其本身所固有的脆性，使其作為結(jié)構(gòu)件在使用時(shí)面臨著可靠性差、抗破壞能力差等一系列致命傷[1]。金屬材料具有優(yōu)異的韌性和導(dǎo)電傳熱性，但其耐腐性能差、易氧化、高溫強(qiáng)度較低。自然界貝殼中的珍珠層，是由一層層幾微米厚的文石晶片通過幾十納米厚的有機(jī)蛋白基連接在一起[2-3]。由碳酸鈣組成的文石晶片是一種非常易碎的物質(zhì)，但是由層狀文石晶片和有機(jī)蛋白質(zhì)基質(zhì)連接而成的珍珠層卻具有很強(qiáng)的韌性。這種結(jié)構(gòu)啟發(fā)人們將現(xiàn)有的陶瓷與金屬制備成擁有層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，在能量耗散機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過復(fù)合強(qiáng)韌化可顯著提高材料的綜合性能[4-6]。

金屬陶瓷層狀復(fù)合材料（laminated metal/ceramics composites，LMCCs）正是在這種契機(jī)下應(yīng)運(yùn)而生，并在其誕生之后迅速成為復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱門課題之一。金屬陶瓷層狀復(fù)合材料是將至少一種片狀金屬與陶瓷相交替排列而形成，其中強(qiáng)性層一般選用具有較高強(qiáng)度和彈性模量的結(jié)構(gòu)陶瓷，通常選用 SiC、ZrO2、Al2O3、Si3N4等材料。韌性層一般選用金屬或非金屬的石墨以及高分子材料的樹脂等韌性好的材料[7]，常見的金屬有 Al、Ti、Ni、Fe等。層狀復(fù)合材料的綜合性能是由每一個(gè)組分的體積分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)特性、尺度要素及各組分間的互溶度共同決定的[8-9]。由于材料結(jié)構(gòu)的特殊性，金屬陶瓷層狀復(fù)合材料可以改善材料的疲勞性能、斷裂韌度、阻尼性能，以及抗沖擊性能、抗磨損性能、抗腐蝕性能等[10-13]。

本文綜述 Al基、Ti基、Ni基及其他常見金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，介紹制備方法、工藝特點(diǎn)和工藝流程；歸納總結(jié)金屬陶瓷層狀復(fù)合材料失效破壞模式。

1 金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的種類

圖1 工程材料的強(qiáng)韌性關(guān)系的 Ashby 圖Fig.1 Ashby diagram of toughness-strength relationship of engineering materials

圖1 顯示了典型工程材料的強(qiáng)韌性關(guān)系[14]，圖2是貝殼典型的層狀結(jié)構(gòu)形貌。將具有耐磨性、抗氧化性、抗腐蝕等優(yōu)異性能的陶瓷相與具有良好韌性的金屬相結(jié)合。基于貝殼特殊的層狀結(jié)構(gòu)，采用仿生理念對(duì)材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行階梯分布設(shè)計(jì)，可以使傳統(tǒng)金屬和陶瓷均發(fā)揮自身良好的性能。隨著熱等靜壓和等離子燒結(jié)技術(shù)等的發(fā)展，采用新型技術(shù)制備金屬陶瓷復(fù)合材料，改善了成型和燒結(jié)條件，材料的孔隙率明顯降低，整體性能大大提高[15-16]。目前，最常見的金屬陶瓷層狀復(fù)合材料主要為 Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Fe基、Cr基、耐熱金屬基、金屬間化物基等，其中以Al基、Ti基、Ni基復(fù)合材料發(fā)展較為成熟。

Al基常見于以 Al2O3（氧化鋁）、TiC（碳化鈦）和SiC（碳化硅）等為增強(qiáng)相的疊層復(fù)合材料[17-18]，如圖3所示，Wang等[19]采用冰模板法和壓力滲透法制備了不同陶瓷體積分?jǐn)?shù)的Al/TiC復(fù)合材料，證明可以通過改變料漿濃度來(lái)控制TiC支架的板層厚度和陶瓷層孔隙率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Al/15%TiC（體積分?jǐn)?shù)，下同）疊層復(fù)合材料具有更厚的金屬層和低密度的陶瓷層，可以有效地消除裂紋尖端的應(yīng)力并以多裂紋擴(kuò)展方式斷裂。

圖2 貝殼微觀結(jié)構(gòu)形貌及疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖 （a）珍珠層截面形貌；（b）表面納米有機(jī)蛋白顆粒；（c），（d）珍珠層俯視形貌；（e）珍珠層Fig.2 Schematic diagram of shell microstructure and laminated composite structure （a）cross-section of nacre；（b）nano-organic protein particles on nacre surface；（c），（d）top view of nacre；（e）structure of nacre

圖3 不同TiC含量的Al/TiC層狀復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructures of Al/TiC laminated composite materials with different TiC contents （a）15%；（b）25%；（c）35%

Ti基復(fù)合材料經(jīng)過30多年的研究，在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鈦合金與鈦基疊層復(fù)合材料中存在著多尺度第二相以及不同的強(qiáng)化相分層分布結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合材料以原位自生反應(yīng)形成的TiB晶須、TiC顆粒以及其他陶瓷相作為主要增強(qiáng)相[20-21]。增強(qiáng)相富集區(qū)的這種分層分布降低了裂紋尖端的應(yīng)力因子和三向應(yīng)力集中水平，并通過隧道裂紋、裂紋偏轉(zhuǎn)和壓縮應(yīng)力增韌等方式，大大提高了材料的韌性和抗沖擊性。圖4是Ti/Al2O3疊層復(fù)合材料的橫截面及裂紋擴(kuò)展示意圖[22]。由圖4可以看出，Ti與陶瓷層界面區(qū)過渡晶粒的出現(xiàn)使各層界面的結(jié)合更加緊密，過渡區(qū)使裂紋擴(kuò)展方式由單一向混合擴(kuò)展模式轉(zhuǎn)變，從而使得疊層材料的力學(xué)性能優(yōu)于勻質(zhì)材料。

圖4 Ti/Al2O3 疊層復(fù)合材料 （a）橫截面形貌；（b）裂紋擴(kuò)展示意圖Fig.4 Ti/Al2O3laminated composite （a）cross section morphology；（b）crack growth diagram

圖5 Ni-Al疊層復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及界面層示意圖 （a）疊層復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)；（b）Al原子通過 Al2O3膜擴(kuò)散；（c）Al和Ni原子通過 Al2O3膜擴(kuò)散Fig.5 Microstructure and schematic diagram of interface layer of Ni-Al laminated composite materials （a）microstructure of laminated composite materials； （ b） diffusion of Al atoms through Al2O3film； （ c） diffusion of Al and Ni atoms through Al2O3film

Ni基疊層復(fù)合材料可用于航空航天、船舶車輛及燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵的高溫部件等，主要包括Ni-Cr基和 Ni-Al基[23-24]。如圖 5 所示，Wang 等[25]采用Ni和Al箔軋制出了Ni-Al多層復(fù)合材料，并進(jìn)一步研究了Ni-Al多層復(fù)合材料的反應(yīng)合成機(jī)理，結(jié)果表明：鎳的引入大大促進(jìn)了Al2O3陶瓷片層的致密化，增強(qiáng)了Ni-Al的界面結(jié)合強(qiáng)度，復(fù)合材料具有優(yōu)異的損傷容限和各向異性導(dǎo)電性能。

2 金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的制備方法

2.1 粉末冶金法（powder metallurgy，PM）

粉末冶金法（PM）是制備LMCCs最常用、最簡(jiǎn)單的方法，通常是先成形后燒結(jié)，通過調(diào)節(jié)和控制原料粉末的粒度分布、燒結(jié)溫度和時(shí)間、燒結(jié)后收縮的均勻性來(lái)獲得緩和熱應(yīng)力的LMCCs[26-27]，其工藝流程如圖6所示。PM法可分為熱壓燒結(jié)法、噴射沉積法、薄膜疊層法和自蔓延高溫合成法等。熱壓燒結(jié)法首先根據(jù)不同的混合比均勻地混合原料粉末，然后將它們以梯度分布分層布置，并進(jìn)行加壓和燒結(jié)[28]。該方法具有很高的可靠性，并且適合于制造具有相對(duì)簡(jiǎn)單形狀的層壓復(fù)合部件。噴射沉積可直接獲得具有最佳梯度分布的金屬和陶瓷粉末相組成的預(yù)成型坯，然后壓制和燒結(jié)以獲得LMCCs，解決了層與層間易產(chǎn)生成分非連續(xù)變化的問題[29]。另外，將不同比例的金屬粉末、陶瓷粉末和黏合劑制成懸浮液，然后噴涂到基材上，通過改變?cè)戏勰┑慕M成比來(lái)控制噴涂相的組成，最后形成層壓復(fù)合材料。薄膜疊層法是將金屬和陶瓷粉末與少量黏合劑混合，制成漿料并除去氣泡以形成薄膜，最后除去黏合劑進(jìn)行層壓燒結(jié)。其優(yōu)點(diǎn)是每層可以做得很薄，成分變化相對(duì)較小。自蔓延高溫合成法是一種制備疊層復(fù)合材料的新型技術(shù)方法，該方法使用外部點(diǎn)火裝置提供熱量引起燃燒，從而在粉末之間發(fā)生強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，形成反應(yīng)前燃燒波，并且燃燒波以一定速度蔓延。當(dāng)燃燒波蔓延到整個(gè)樣品時(shí)，所制備的材料合成完成，但整個(gè)反應(yīng)過程僅通過粉末本身的放熱來(lái)完成。Meng等[30]利用自蔓延高溫合成法（SHS）制備出了 Fe-Cr-Al基 LMCCs，并對(duì)該類型LMCCs進(jìn)行力學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果表明，金屬和陶瓷層間良好潤(rùn)濕性提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。Hou等[31]采用此方法制備出了Al基金屬陶瓷疊層材料，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明在SHS反應(yīng)中加入SiO2有利于形成低熔點(diǎn)相Al2O3?SiO2，將其填充到Al2O3樹枝狀晶體的空隙中，降低了復(fù)合涂層的孔隙率，從而提高了復(fù)合涂層的強(qiáng)度和致密化程度。由此可得出粉末冶金法能夠提供比物理黏合更高的致密度和黏合強(qiáng)度，提高整體復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖6 粉末冶金制備金屬陶瓷層狀復(fù)合材料工藝流程Fig.6 Process flow of preparing metal/ceramic laminated composites by powder metallurgy

2.2 流延成型法（tape-casting）

流延法成型是將溶劑、分散劑、黏合劑、增塑劑等添加到陶瓷粉末中以獲得均勻分散且穩(wěn)定的漿料，最終在流延機(jī)上制備具有所需厚度的膜的成型方法，如圖7所示。而對(duì)于LMCCs，在采用流延成型法分別制得金屬和陶瓷片層后，通過真空熱壓燒結(jié)制備得到層壓樣品。Wu等[32]對(duì)采用流延法成型制得的Ti（Al）-B4C疊層樣品進(jìn)行研究表明，疊層結(jié)構(gòu)通過減小界面上Ti和B4C層之間的接觸面積來(lái)限制Ti和B4C相之間的界面反應(yīng)。相比均勻混合復(fù)合材料，層壓復(fù)合材料的斷裂韌度提高了約201%。斷裂韌度的顯著提高歸因于多層結(jié)構(gòu)、可延展的Ti層以及裂紋偏轉(zhuǎn)。

2.3 輥壓軋制法（roll-bonding）

圖7 流延成型法制備金屬陶瓷疊層復(fù)合材料示意圖Fig.7 Schematic diagram of preparing cermets laminated composites by tape-casting method

輥壓軋制法通常用來(lái)制備片狀LMCCs，工藝流程如圖8所示，其工藝過程為：首先將表面除污后的箔片相互交替疊層，然后在所需的溫度下將其置于軋機(jī)上進(jìn)行軋制和復(fù)合。當(dāng)達(dá)到合適的程度時(shí)，將材料放入真空擴(kuò)散爐中，在合適的溫度下進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)[33]。沈德久等[34]采用軋制擴(kuò)散法制備了一種新型Al2O3/Al復(fù)合板，并分析了其界面結(jié)合機(jī)理。結(jié)果表明壓力、軋制擴(kuò)散溫度和原材料的加工處理方法等都會(huì)影響復(fù)合板的結(jié)合度。

2.4 磁控濺射法（magnetron sputtering）

磁控濺射法目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)納米級(jí)尺寸LMCCs，其通過調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)，例如基板的旋轉(zhuǎn)速度和擋板的閉合時(shí)間等，可以制備層間距和層厚比不同的多層復(fù)合材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，成膜質(zhì)量好。但是由于濺射速度慢，難以制備大尺寸的層狀復(fù)合材料，同時(shí)難以制備層間界面顯著的層狀復(fù)合材料。胡冰等[35]通過磁控濺射法制備了納米β-FeSi2/α-Si疊層結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明磁控濺射法制備的Fe/Si多層膜中β-FeSi2的粒徑較小，不需要再進(jìn)行退火和其他處理。圖9是厚度比為Fe（20nm）/Si（100nm）、Fe（10nm）/Si（50nm）和Fe（10nm）/Si（30nm）的三組樣品截面的掃描電鏡形貌，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)通過磁控濺射沉積的三組多層膜具有更好的平坦度和連續(xù)性。

圖8 輥壓軋制工藝示意圖Fig.8 Schematic diagram of roll rolling process

圖9 不同厚度比樣品截面的掃描電鏡形貌Fig.9 Scanning electron microscope morphologies of samples with different thickness ratios （ a） Fe（ 20 nm） /Si（ 100 nm） ；（b）Fe（10nm）/Si（50nm）；（c）Fe（10nm）/Si（30nm）

2.5 滲透鑄造法（penetration casting）

滲透鑄造法分為有壓和無(wú)壓兩種，其中有壓滲透包括模壓[36]、氣壓滲透和離心鑄造。圖10為氣體壓力滲透裝置的示意圖[37]。首先將TiC支架和鋁合金置于Al2O3坩堝中，將其封閉在Ni基高溫合金爐中，然后將爐抽至約10Pa的真空，以5℃/min的速率加熱。在加熱到850℃時(shí)，熔融金屬密封了坩堝壁，將高純度Ar氣體引入爐中，并將壓力控制在1MPa，這足以將液態(tài)金屬驅(qū)入TiC支架的開放孔中。維持壓力1min左右使合金液充分填充TiC支架，最后以5℃/min的速率將爐冷卻至室溫即制得金屬TiC疊層復(fù)合材料。

圖10 氣體壓力滲透裝置的原理圖Fig.10 Schematic diagram of gas pressure permeation device

離心鑄造法是將梯度陶瓷預(yù)制塊放入高速旋轉(zhuǎn)的鑄模中，使其與鑄模一起旋轉(zhuǎn)。將熔融金屬注入鑄模中，在離心力的作用下將熔融金屬浸漬到陶瓷預(yù)成型坯中，以形成在徑向方向上具有梯度分布的LMCCs。付永紅等[38]以鉻絲和球墨鑄鐵為原材料，通過離心鑄造和原位反應(yīng)法，在球墨鑄鐵基材表面制備出一層厚度為 4.0mm 的（Fe，Cr）7C3碳化物顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合層。由于離心力作用，復(fù)合層的結(jié)構(gòu)相對(duì)致密且無(wú)缺陷，并且實(shí)現(xiàn)了復(fù)合層與基板之間的冶金結(jié)合效果。

無(wú)壓滲透法是指通過黏合劑將增強(qiáng)顆粒制成預(yù)制框架結(jié)構(gòu)，并將其浸入熔融金屬池中，利用金屬液的毛細(xì)現(xiàn)象使其自發(fā)地進(jìn)入預(yù)制框架空隙以獲得LMCCs的方法[39-40]。無(wú)壓滲透方法因其工藝簡(jiǎn)單且可以生產(chǎn)更大尺寸的構(gòu)件而受到重視，然而無(wú)壓滲透法面臨的最大技術(shù)難題是金屬與陶瓷基體之間的潤(rùn)濕問題。例如在Al熔點(diǎn)溫度附近，Al-B4C之間的潤(rùn)濕角高達(dá)115°～125°，使得浸滲無(wú)法自發(fā)進(jìn)行。Halverson[41]就溫度和接觸時(shí)間對(duì)Al-B4C之間的潤(rùn)濕角的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明Al-B4C之間的潤(rùn)濕角在溫度不變時(shí)與保溫時(shí)間成反比。在900℃的氬氣環(huán)境下，Al-B4C之間的潤(rùn)濕角將降到90°以下。Lin等[42]進(jìn)一步研究了Al-B4C在900～1200℃之間的潤(rùn)濕角演變規(guī)律，得出溫度與潤(rùn)濕角間的函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明，若要自發(fā)進(jìn)行無(wú)壓浸滲，溫度必須達(dá)到1000℃以上。

3 金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的失效破壞機(jī)制

3.1 界面強(qiáng)度

在金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的制備過程中，界面結(jié)合性是決定復(fù)合材料質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其受界面潤(rùn)濕性、界面缺陷、界面反應(yīng)等多方面因素的制約，其中潤(rùn)濕性是影響金屬陶瓷層狀復(fù)合材料綜合性能的關(guān)鍵因素之一。著名的Young-Dupre方程是研究金屬陶瓷潤(rùn)濕性的理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上形成了界面研究的體系，總體來(lái)說，分為實(shí)驗(yàn)研究和理論研究?jī)蓚€(gè)方面。在實(shí)驗(yàn)研究方面，通常采用滴座法研究各種添加劑和工藝因素對(duì)界面潤(rùn)濕性的影響規(guī)律。李佳等[43]通過脈沖加壓擴(kuò)散焊制備了由304不銹鋼與TiC組成的復(fù)合材料，指出使用Ti/Nb作為中間層可以在一定程度上降低殘余應(yīng)力，并減輕TiC金屬陶瓷與鋼焊接過程中物理冶金的不相容性。Zi等[44]研究了Ni元素含量對(duì)鎳基金屬和陶瓷界面反應(yīng)和潤(rùn)濕性的影響，結(jié)果表明：當(dāng)Ni含量高于0.017%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，合金中的Ni和Al與陶瓷模具中的SiO2反應(yīng)，潤(rùn)濕角明顯降低；Ni含量的臨界濃度為0.017%，將引起界面反應(yīng)。在理論計(jì)算方面，利用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的有效模擬和仿真分析，為界面的性能和微觀結(jié)構(gòu)提供有效的理論依據(jù)。王紹青[45]通過對(duì)Al/TiC金屬/陶瓷界面進(jìn)行第一性原理計(jì)算和模擬分析發(fā)現(xiàn)，界面結(jié)合強(qiáng)度與界面結(jié)構(gòu)和界面原子之間的結(jié)合密切相關(guān)。

雖然金屬陶瓷層狀復(fù)合材料可以彌補(bǔ)陶瓷本身斷裂韌度不足的缺點(diǎn)，但過高的界面強(qiáng)度會(huì)使增強(qiáng)體材料和基體之間的應(yīng)力無(wú)法緩解而引起應(yīng)力集中，使復(fù)合材料的強(qiáng)度和斷裂韌度降低；界面強(qiáng)度太低也會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)體在加載過程中從與基體之間的界面脫落，從而導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度下降[46]。因此，有必要采用一定方法控制界面反應(yīng)，從而改善界面結(jié)合強(qiáng)度。

3.2 裂紋偏轉(zhuǎn)

金屬陶瓷復(fù)合材料的損傷與其內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展模式息息相關(guān)[47]，當(dāng)發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)時(shí)，裂紋平面將會(huì)在垂直于張應(yīng)力方向上重新選擇取向，這就造成裂紋擴(kuò)展路徑的增加[48]。裂紋的偏轉(zhuǎn)可以促使其遠(yuǎn)離平面應(yīng)力的最大位置，且發(fā)生偏轉(zhuǎn)的裂紋越長(zhǎng)，裂紋偏轉(zhuǎn)的角度越大，則越能夠有效地降低裂紋的尖端局部應(yīng)力。當(dāng)裂紋在金屬和陶瓷界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，裂紋尖端的向前驅(qū)動(dòng)力大大降低，裂紋穿過下一層金屬就需要更多的時(shí)間并消耗更多的能量，因此，裂紋偏轉(zhuǎn)有利于材料韌性的提高。觀察圖11可發(fā)現(xiàn)[49]，Mg/Al2O3層狀復(fù)合材料在抗拉測(cè)試時(shí)，裂紋沿著Mg層和Al2O3層之間的界面產(chǎn)生了非常明顯的裂紋偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度接近90°。Mg/Al2O3層狀復(fù)合材料具有較厚的金屬層，可以有效地分解裂紋尖端的應(yīng)力，并通過抑制裂紋的張開來(lái)提高復(fù)合材料的韌性。

圖11 Mg/Al2O3層狀復(fù)合材料中的裂紋偏轉(zhuǎn) （a）裂紋在疊層復(fù)合材料中擴(kuò)展；（b）裂紋偏轉(zhuǎn)；（c）金屬層的塑性變形；（d）微裂紋Fig.11 Crack deflection in Mg/Al2O3layered composites （a）crack propagates in particle-based composites； （b）crack deflection；（c）plastic deformation in metal layers；（d）microcracks

3.3 多重裂紋擴(kuò)展

由溫度變化引起的熱膨脹差或由相變引起的體積差，會(huì)在分散增強(qiáng)相和陶瓷基體相之間產(chǎn)生均勻分布的裂紋。在主裂紋擴(kuò)展時(shí)，這些均勻分布的微裂紋將促進(jìn)主裂紋的分叉，增加了擴(kuò)展過程中的表面能，從而阻礙了裂紋的快速擴(kuò)展[50]。圖12建立了傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料和“磚+泥”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中裂紋擴(kuò)展模式的示意圖[51]。在傳統(tǒng)的層壓復(fù)合材料中，主要的增韌機(jī)理是多重裂紋模式；但是，在先前的研究中，這些多重裂紋都存在于陶瓷層中（圖12（e））。在這種情況下，金屬層中的能量沒有完全釋放出來(lái)，這會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的韌性急劇下降；但是，在“磚+泥”結(jié)構(gòu)中，堅(jiān)固的陶瓷/金屬界面與相對(duì)較軟的砂漿相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)一定程度的磚瓦間位移，以緩解局部較高的應(yīng)力（圖12（f）和（g））。磚間位移可在金屬層中釋放大量能量，最重要的是降低裂紋擴(kuò)展速率。另外，金屬層中廣泛的塑性變形在某種程度上實(shí)現(xiàn)了位錯(cuò)強(qiáng)化。在復(fù)合材料中，可以同時(shí)觀察到多個(gè)塑性裂紋和多個(gè)脆性裂紋（圖12（h）），這表明復(fù)合材料中的斷裂能得以釋放。盡管實(shí)體結(jié)構(gòu)可能會(huì)削弱強(qiáng)度，但牢固的界面、陶瓷表面的凹凸不平、陶瓷層之間的橋接以及金屬中的細(xì)分散顆粒是增強(qiáng)復(fù)合材料的重要來(lái)源，最終的復(fù)合材料仍然表現(xiàn)出與層壓復(fù)合材料相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

圖12 傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料和“磚+泥”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中裂紋擴(kuò)展模式的示意圖 （a），（b）傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料；（c），（d）“磚-泥”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中裂紋擴(kuò)展模式的示意圖，灰色層是金屬相，藍(lán)色層是陶瓷相；（e）傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和裂紋擴(kuò)展路徑的背散射形貌；（f）~（h）“磚-泥”結(jié)構(gòu)的疊層復(fù)合材料Fig.12 Schematic diagram of crack growth patterns in conventional laminated composites and"brick+mud"composites （a），（b）schematic diagrams of the crack propagation modes in traditional laminated composites；（c），（d）“brick-and-mud”-structured composites.The gray layer is the metal phase，and the blue layer is the ceramic phase；（e）back scattered images of the microstructures and crack growth paths of traditional laminated composites；（f）-（h）“brick-and-mud”-structured laminated composites

3.4 裂紋橋接

裂紋橋接是指通過增強(qiáng)體連接擴(kuò)展裂紋兩個(gè)表面而形成裂紋閉合力，從而使脆性基體材料增韌的方法。其增強(qiáng)體分為兩種：韌性第二相顆粒和剛性第二相顆粒。對(duì)比圖 13（a）~（d）可知，Al/15%TiC（體積分?jǐn)?shù)，下同）層狀復(fù)合材料與Al/25%TiC、Al/35%TiC層狀復(fù)合材料在裂紋擴(kuò)展過程中的差別為是否存在裂紋的橋接[19]。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至延展層時(shí)，延展層作為橋接韌帶必須具有足夠的延展性，以避免在行進(jìn)的裂紋尖端或裂紋尖端的前部發(fā)生斷裂。相比Al/25%TiC、Al/35%TiC層狀復(fù)合材料，Al/15%TiC層狀復(fù)合材料受到較小的裂紋萌生力，并且具有較厚的合金層（更好的延展性），這可以確保裂紋在穿過相鄰的陶瓷基體層后，陶瓷層之間的合金層仍然保持完整性。同時(shí)，從圖13（b）可以看出，當(dāng)裂紋從陶瓷層擴(kuò)展到合金層時(shí)明顯受到了阻礙，并且在裂紋的驅(qū)動(dòng)下，裂紋尖端在對(duì)合金層進(jìn)行沖擊時(shí)產(chǎn)生韌性剪切帶，這是裂紋發(fā)生鈍化的現(xiàn)象。實(shí)際金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展可能是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，如圖14所示[49]，裂紋偏轉(zhuǎn)增大了裂紋擴(kuò)展路徑，裂紋和橋接鈍化能夠顯著降低其擴(kuò)展速率，此時(shí)的增韌機(jī)制也更為有效。

圖13 抗彎測(cè)試初始裂紋Fig.13 Initial crack during bending test （a）， （b）Al/15%TiC；（c）Al/25%TiC；（d）Al/35%TiC

圖14 微疊層 TiC/Ti復(fù)合材料樣品的裂紋擴(kuò)展和機(jī)理示意圖 （a）裂紋擴(kuò)展；（b）機(jī)理示意圖Fig.14 Schematic diagrams of crack growth and mechanism of micro multilayer TiC/Ti composite material samples（a）crack propagation；（b）schematic diagram of mechanism

4 結(jié)束語(yǔ)

近幾年金屬陶瓷層狀復(fù)合材料制備技術(shù)在國(guó)內(nèi)外有了較深入的研究，但是，它尚未在實(shí)際工程領(lǐng)域中得到完全應(yīng)用。這主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)的理論基礎(chǔ)更加復(fù)雜，并且服役環(huán)境與測(cè)試環(huán)境不同，因此有必要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步探索和改進(jìn)該技術(shù)。

（1）加大理論研究。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)金屬陶瓷層狀復(fù)合材料制成的部件連接到結(jié)構(gòu)部件時(shí)，由于諸如熱失配和界面應(yīng)力等問題，很容易造成金屬陶瓷層的早期失效，從而極大地限制了金屬陶瓷復(fù)合材料的應(yīng)用。因此，需要在復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行深入的理論研究，為層狀復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（2）利用計(jì)算科學(xué)研究金屬/陶瓷界面和損傷機(jī)理。實(shí)驗(yàn)中的“試錯(cuò)法”缺乏明確的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，隨機(jī)性和偶然性以及結(jié)果的不確定性較大。將計(jì)算科學(xué)引入材料制備環(huán)節(jié)，例如模擬三維成分區(qū)間分布、推導(dǎo)元素?cái)U(kuò)散速度等，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制備過程的可控性。通過計(jì)算機(jī)仿真可以實(shí)現(xiàn)對(duì)界面微觀機(jī)制和影響界面性能的規(guī)律的本質(zhì)理解，建立適用于金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的本構(gòu)模型，并模擬服役環(huán)境中材料的失效和破壞過程。

（3）產(chǎn)品的大尺寸和形狀多樣復(fù)雜化。實(shí)驗(yàn)中制備的金屬陶瓷通常為小尺寸和規(guī)則形狀。但是，實(shí)際的工業(yè)領(lǐng)域需要各種復(fù)雜形狀的產(chǎn)品。因此，只有通過進(jìn)一步改進(jìn)制備工藝，生產(chǎn)符合實(shí)際要求的產(chǎn)品，才能將金屬陶瓷層狀復(fù)合材料真正地推廣到實(shí)際應(yīng)用中。