美国军方向工业界寻求制造具有金属强度的陶瓷材料的方法

美国军方向工业界寻求制造具有金属强度的陶瓷材料的方法

美国军方研究人员正在要求工业界探索新方法，以生产足够坚硬的整体陶瓷材料，用于制造飞机机身、地面车辆底盘和潜艇外壳。

1月初，美国国防部预先研究计划局（DARPA）为“当前本质上坚韧且经济实惠的陶瓷”（INTACT）项目发布了一份招标书（DARPAPA-24-04-06），旨在探索具有金属柔韧性和强度的陶瓷原子级增韧机制。

该项目为期一年的第一阶段将开发具有抗弯强度和断裂韧性的陶瓷材料和加工方法。第二阶段将改进材料和工艺。

DARPA研究人员尤其感兴趣的是应用新兴的非平衡加工技术，在陶瓷材料中设计空位、错位、相位和晶界等缺陷，以适应微小尺度的塑性变形。

DARPA的研究人员解释说，通过激光、电子束和其他非平衡加工技术引入机械加工（类似于锻造）和快速热淬火速率，为创造全新的陶瓷微结构提供了新的可能性，从而在保持陶瓷原有性能平衡的同时，实现新型陶瓷材料断裂韧性水平的突破。

生产、涂层、铺设纤维、浸润基体材料以及将材料转化为致密的成品，都需要熟练的劳动力和专业的设备。INTACT计划同样注重可制造性，目标是缩短结构硬件的交付周期，使其具有抗弯强度、断裂韧性和循环时间。

在集成电路中，陶瓷材料由于具有高导热性、高电绝缘性和尺寸稳定性，主要用于基板，为电子元件提供稳定的基础。然而，大型或关键结构应用要求材料具有高强度、刚度、耐环境性和断裂韧性。除断裂韧性外，陶瓷在所有这些性能方面通常都优于金属。

由于陶瓷断裂韧性较差，因此无法用于飞机机身、发动机涡轮盘、地面车辆底盘和潜艇船体等关键结构。这是令人遗憾的，因为结构陶瓷的强度可能是金属的10倍，硬度是金属的2倍，密度是金属的一半，工作温度是金属的2倍，并且可以在腐蚀性环境中工作。

在大块陶瓷中加入类似金属的断裂韧性工程技术，将带来一类新的耐损伤结构材料，其性能甚至有可能超过最先进的金属合金。

至少从20世纪中叶开始，人们就一直梦想着拥有坚韧的陶瓷，但实现金属般的韧性却一直未能如愿。作为一种折中方案，陶瓷基复合材料应运而生，由于增强纤维与陶瓷基体之间的宏观相互作用，陶瓷基复合材料表现出“准韧性”。虽然陶瓷基复合材料已被应用于军事和商业领域，但其可制造性仍然是一个重大挑战。