通过三维打印和压力渗透技术，仿生设计出具有可调“砖-砂浆”结构的碳化硅-铝复合材料

《Journal of the American Ceramic Society》：Bioinspired design of silicon carbide–aluminum composites with tunable brick-mortar structures via three-dimensional printing and pressure infiltration

硅碳铝复合材料通过3D打印与压力浸渍技术调控砖体结构比例和层状构型，抑制Al4C3相生成，形成Al2O3和铝的界面缓冲层，提升界面结合与热应力适应能力。力学测试与有限元模拟表明，优化砖体比例可实现裂纹偏转和铝基体塑性耗能，使强度和韧性协同提升，砖墙结构仿生学复合材料比层状结构断裂韧性高12%、断裂能高61%。

　　

摘要

克服金属基复合材料中强度与韧性之间的固有矛盾始终是一个关键挑战。受天然珍珠层“砖块-砂浆”（BM）结构的启发，本研究提出了一种可调节的结构设计策略，该策略结合了槽式光固化三维打印技术和压力辅助渗透技术，用于制备具有可控砖块长宽比和分层结构的碳化硅-铝（SiC–Al）复合材料。通过协同调控SiC颗粒的表面氧化程度和渗透温度，有效抑制了有害的Al₄C₃相的形成，从而形成由非晶态Al₂O₃和Al组成的复合界面缓冲层，增强了界面结合力和热应力缓解能力。机械测试和有限元模拟表明，最佳的砖块长宽比能够促进裂纹偏转，并激活铝基体中的塑性能量耗散，从而同时提升材料的强度和韧性。值得注意的是，与层状结构相比，这种BM复合材料具有约12%更高的断裂韧性和约61%更高的断裂能量。这项工作突出了结构几何形状在实现强度-韧性协同作用中的关键作用，为先进金属-陶瓷复合材料的仿生设计提供了一种有前景的方法。

图形摘要

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。