科学网—先进陶瓷期刊新综述：先进仿生各向异性碳化陶瓷复合材料的制备—过去、最新进展和未来展望-清华大学出版社学术期刊的博文
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2024-10-15 09:51
| 个人分类: JAC | 系统分类: 科研笔记
原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Tian H, Wang L, Zhang B, et al. Fabrication of advanced bioinspired anisotropic carbide ceramic composites: Past, recent progress, and future perspectives. Journal of Advanced Ceramics , 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220974
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2024.9220974
ResearchGate ： https://www.researchgate.net/publication/384158140_Fabrication_of_advanced_bioinspired_anisotropic_carbide_ceramic_composites_Past_recent_progress_and_future_perspectives
一、研究背景
近年来，生物材料的深入研究为结构材料的开发开辟了新的路径。生物材料通常经过长期进化，形成了精巧的层次结构。以骨组织为例，其胶原纤维的定向排列赋予了独特的纹理特征，而复杂的微观结构和材料界面的协同作用，使得骨组织具备了优异的力学性能。
目前， 关于 各向异性 结构材料的 研究成果层出不穷 （见图 1） ，各向异性 陶瓷通常 因其 特殊的结构设计，能够显著改善材料的蠕变性能、弯曲强度，并提升硬度。文献表明，仿生各向异性设计可以促进裂纹偏转、裂纹桥接和晶粒拉伸，从而 显著提升 材料 的 韧性。这些协同效应促使材料在特定方向上展现出更加优异的性能。
碳化物 陶瓷 由碳和其他元素组成的化合物 构成 。 相较于 传统陶瓷，展现出诸多优异特性，如高模量、高温抗性及极强的耐磨性，使其成为理想的结构材料，广泛应用于航空航天、制造和化工等领域。碳化硅（ SiC）等结构陶瓷具备各向异性的晶体结构特征。通过仿生纹理设计，能够进一步优化其在特定方向上的性能。一般来说，通过施加外部物理条件（如单向力场、电场或磁场）或利用内部化学驱动力和界面能量，可实现不同类型的仿生纹理碳化物陶瓷或碳化物基复合材料的制备。这些材料在特定方向上表现出增强的物理化学性能，尤其适用于恶劣环境中的应用。
图1. 不同年份中关于各向异性陶瓷的发表数量。
二、研究亮点
近期，中国科学院上海硅酸盐研究所黄政仁、殷杰研究员团队，与英国诺丁汉大学工程学院张步豪博士合作，在《 Journal of Advanced Ceramics》发表题为 Fabrication of advanced bioinspired anisotropic carbide ceramic composites: Past, recent progress, and future perspectives 的综述论文。该 综述首次对仿生纹理碳化物陶瓷复合材料进行了全面评述，重点分析了仿生材料的结构特征及各向异性碳化物陶瓷复合材料的制备工艺（见图 2）。文章详细介绍了几种典型仿生材料，揭示了其优异性能背后的结构设计。紧扣“仿生”和“碳化物陶瓷”这两个关键概念，文章着重总结了结构陶瓷领域内研究人员在过去十年中取得的重大进展。此外，文章还综述了常见的制备仿生纹理碳化物陶瓷及复合材料的实验方法，如强外场诱导（单轴压力下的热加工、磁定向铸造技术等）、模板法（包括生物模板法、冰模板法等）以及3D打印技术（如直接油墨写入、光固化技术等）。文章对不同制备方法的优缺点进行了详细比较，指出了仿生纹理碳化物陶瓷基复合材料制备过程中面临的挑战，并探讨了它们在未来的应用前景。
本 篇综述旨在帮助仿生结构材料研究领域的学者建立一个系统 的 框架，促进 学者 对纹理仿生材料的结构特征、研究现状、未来发展的快速理解。
图 2.显示了几种常见仿生材料的结构特征以及仿生各向异性碳化物材料的制备过程。
三、研究结果及结论
受生物材料独特微结构启发，通过仿生纹理设计能够制备出性能远超传统材料的各向异性碳化物基复合材料。本文讨论了几种制备方法，包括单轴压力下的热加工、磁定向铸造技术、生物模板法、冰模板法，以及 3D打印技术（DIW、FDM、SLA等）。并且，对这些不同方法在制备各向异性碳化物陶瓷中的优缺点进行了全面总结，具体内容如表1所示。
表 1 各向异性方法制备碳化物陶瓷的优缺点