科学家发现 添加锆原子可改善超强复合材料

陶瓷基复合CMC硬度高，通常用于喷气发动机、燃气轮机和镍合金刀具；氧化铝质地坚硬，具有良好的化学惰性；碳化钨是一种超硬材料，但在制备AlO-WC-CMC时，过去的尝试并没有取得好的结果。近日，据外媒报道，日本科学家发现添加锆原子可以改善AlO-WC CMC。

由于AlO-WC-CMC可以用作超硬材料，世界各地的研究人员都致力于研究，以找到提高其抗弯强度的方法。弯曲强度是指材料在弯曲载荷下破裂或达到规定挠度时所能承受的最大应力。此前，没有人能够开发出弯曲强度大于1千兆帕斯卡的AlO-WC CMC，这意味着早期AlO-WC CMCs的性能无法与当前的CMC材料相媲美。因此，为了获得更大的抗弯强度，日本名古屋大学的科学家与NGK火花塞公司有限公司合作进行了一项研究，在制备AlO-WC CMC时加入少量氧化锆，从而制备出抗弯强度大于2 kPa的“超硬”AlO-WC-CMC。正如首席研究员Tomohiro Nishi博士和Katsuyuki Matsunaga博士所说，“这一发现打破了超硬材料弯曲强度的记录。”值得注意的是，研究人员通过适当添加ZrO大大提高了弯曲强度，而这种添加剂仅占Al2O3-WC-CMC重量的不到5%，其低于CMC添加剂的常规量。当使用原子分辨率透射电子显微镜观察超硬ZrO2增强的AlO-WC CMC的结构时，研究人员发现Zr原子位于AlO和WC片之间。关于AlO和WC片材之间的界面，Nishi博士和Matsunaga博士表示，“此界面通常是力学财产的薄弱点。”因此，片材间的界面是Zr原子增强AlO-WC CMC效果的最佳位置。当研究人员使用特定的数学物理技术，即密度泛函理论，对锆原子的作用进行建模时，结果表明，锆原子所在的界面层可以增强CMC的稳定性。研究人员认为，新型CMC具有巨大的发展潜力。在谈到其潜在应用时，Matsunaga博士说：“新材料可以用作金属加工设备中的超硬材料，用于切割飞机和汽车领域的硬质金属零件。”事实上，NGK火花塞公司的工程师已经将这种材料作为切削工具部件进行了商业开发。增强型AlO-WC复合材料的成功制备表明，只要加入少量添加剂，就可以显著改善材料的物理财产。

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