在超强复合材料中使用锆作为添加剂

陶瓷基复合材料(CMC)是坚固的材料，用于喷气发动机，燃气轮机和镍超级合金的切削工具。氧化铝(Al 2 O 3)坚硬且化学惰性，碳化钨(WC)被用作超硬材料，但是过去为创建Al 2 O 3 -WC CMC所做的努力并未获得令人满意的结果。最近，科学家发表在《科学报告》上的一项研究表明，添加锆原子可改善Al 2 O 3 -WC CMC。

鉴于Al 2 O 3 -WC CMC作为超硬材料的潜在用途，世界各地的研究人员已经测试了几种配方，以鉴定一种具有高弯曲强度的配方，这是一种衡量材料在变为材料之前所承受的物理应力的方法。永久弯曲或折断。以前，没有团队开发出抗弯强度大于1吉帕斯卡的Al 2 O 3 -WC CMC，这意味着那些早期的Al 2 O 3-WC CMC不能胜过现有CMC材料。为了获得更大的弯曲强度，上述科学家团队由名古屋大学的科学家与NGK Spark Plug Co.，Ltd.共同进行了一项研究。在创建Al 2 O 3 -WC CMC时添加少量的二氧化锆(ZrO 2)。该添加产生了抗弯强度大于2吉帕斯卡的“超硬” Al 2 O 3 -WC CMC。正如首席研究员西友博宏和松永胜之博士所指出的那样，“这是该领域的历史最高水平。”

值得注意的是，研究人员通过相对适度地添加ZrO2实现了这些显着的弯曲强度改进。添加剂占成品Al 2 O 3 -WC CMC的质量的不到5%，这小于添加剂增强的CMC中通常存在的添加剂的量。当研究人员使用一种称为原子分辨率扫描透射电子显微镜的方法研究其超硬ZrO2增强的Al 2 O 3 -WC CMC的结构时，他们发现Zr原子位于Al 2 O 3和Al 2 O 3薄板之间的薄层中。厕所。关于Al 2 O 3之间的界面Nishi博士和Matsunaga博士指出，“ WC薄板在机械性能方面通常是薄弱点。” 因此，片之间的界面是Zr原子发挥增强Al 2 O 3 -WC CMC效果的合理位置。确实，当研究人员使用数学物理学领域的一种称为密度泛函理论的技术对Zr原子的效应进行建模时，他们的结果表明Zr原子的界面层将增强其CMC的稳定性。

研究人员预见到他们的新型CMC的光明前景。Matsunaga博士在评论其潜在应用时说：“我们开发的材料可用作金属加工设备中的超硬材料，用于切割飞机和汽车中使用的硬质金属部件。” 实际上，他们注意到NGK Spark Plug Co.的工程师已经将这种材料作为切削工具的组件进行了商业化。

这些增强的Al 2 O 3 -WC CMC的产生是物理性能显着改善的一个示例，可以通过在材料中添加相对少量的添加剂来实现。

2020年12月3日，《科学报告》(Scientific Reports)发表了论文“通过稀释掺杂剂的界面分离，极大提高了机械强度的先进超硬复合材料” 。

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