磁场冷冻铸造法制备仿生螺旋结构高损伤容限金属－陶瓷复合材料

Drawing inspiration from the helical structures of various natural materials, a novel materials processing method, the combination of pre-magnetization, rotating magnetic freeze casting and metal infiltration, is introduced in this project to develop bio-inspired helical metal–ceramic composites. First, the ceramic phase are coated with magnetic nanoparticles, and then applying a weak rotating magnetic field to water-based ceramic slurries during the freeze casting process. By changing the material composition, magnetic field parameters, magnetic pole rotation and freezing process, the water of the slurries is crystallized into ice templates according to a certain rule, and then obtain the porous ceramics scaffolds with controllable helical architectural organization. Finally, we fill the ceramic scaffolds with alloy melt using pressure infiltration technique to obtain biomimetic helix-reinforced metalceramic composite. In this project, we aim to investigate the influence of composite field (temperature field and rotating magnetic field) on the ice crystal nucleation and growth of water-based ceramic slurries, and to clarify the control mechanism of pore microstructure with magnetic freeze casting, to illustrate the relationships among the processing parameters, microstructure and mechanical properties of the helical composites, to explore the optimum combination of strength, stiffness and toughness, to disclose the strengthening, toughening and damage mechanisms. This not only exploits a new idea for the preparation of porous ceramic materials for ice templates, but also offer theoretical basis and new method for the fabrication of new lightweight high-performance composites, and promotes the understanding of damage-tolerance of multi-scale fine helical composites.

受各种天然材料螺旋结构的启发，本项目提出一种采用预磁化–旋转磁场冷冻–金属浸渗法制备仿生螺旋结构金属–陶瓷复合材料的新方法。首先，拟对不同形态的陶瓷相表面涂覆磁性纳米粒子，并在水基陶瓷浆料的冷冻铸造过程中施加旋转弱磁场，使浆料中的水按一定规律结晶成冰模板，通过改变材料组分、磁场参数、磁极旋转以及冷冻工艺来调控多孔陶瓷螺旋结构，然后采用压力浸渗技术向多孔陶瓷中灌入熔融合金液，获得仿生螺旋增强金属–陶瓷复合材料。本项目拟考察复合外场（温度场和旋转磁场）对水基陶瓷浆料的冰晶形核与生长影响规律，揭示螺旋结构的磁场冷冻控制机制，明确复合材料制备工艺、螺旋结构参数与宏观力学性能三者之间的内在关系，探索刚度、强度与韧性的最优组合，阐明强韧化机理与损伤机制。这不仅为冰模板制备多孔陶瓷材料开拓新思路，还为制备新型轻质高性能复合材料提供理论依据和新方法，促进人们对多尺度精细螺旋结构复合材料损伤容限的理解。

随着建筑、汽车交通、航天航空以及电子工业等领域的快速发展，迫切需要开发新型轻质高性能结构材料。金属-陶瓷复合材料由于具有低密度、高比强度和比刚度等特点，已被认为最具有发展潜力的材料之一。但是该复合材料中随着陶瓷含量的增加会引起脆断裂，使用起来不够安全。然而，大自然中很多天然生物材料（像独角鲸牙、螳螂虾附肢）由于具有精细的螺旋结构特点，表现出极高的损伤容限特征。因此如何制备仿生螺旋结构复合材料以及弄清其结构和性能之间的响应关系已成为研究热点。本项目中我们将旋转磁场和冷冻铸造技术相结合，以水基陶瓷浆料为基础，通过巧妙设计制备了仿生螺旋结构多孔陶瓷，随后利用真空-压力浸渗技术将Al熔体浸渗到Al2O3多孔陶瓷坯体中，获得了仿生螺旋结构Al/Al2O3复合材料。对冷冻铸造的浆料施加旋转磁场时通过调节水基陶瓷浆料组分（Fe3O4含量）、温度场参数（冷冻速度）和磁场参数（磁场强度、磁场旋转速度），实现了多孔陶瓷螺旋结构的有效控制。在磁场冷冻铸造过程中，Fe3O4被旋转磁场吸引至坯体两侧，随着冰晶的定向生长，它便按一定角度螺旋分布；同时，陶瓷颗粒被冰晶前沿推移至其两侧形成了层状结构。在旋转磁场的引导下陶瓷片层取向变一致，而且片层间陶瓷桥密度增加。浆料冷冻速度的增加会细化陶瓷片层厚度和片层间距，同时螺旋角度为57°时螺旋结构复合材料具有最高的压缩性能；另外，Fe3O4含量的增加会提高复合材料的弹性模量。由于该复合材料陶瓷片层间无机桥数量较多，当材料受到压缩应力时时裂纹遇到金属层的阻碍，从而发生了金属层的塑形变形,裂纹桥接和裂纹偏转。所取得的研究成果为高性能金属陶瓷复合材料的研发提供了研究基础。在本项目的资助下，我们共发表了学术论文5篇，已完成了预定的研究目标。