由貝殼仿生學發(fā)展起來的金屬間化合物基層狀復合材料

許多金屬間化合物具有抗蠕變，抗氧化，抗燃燒等一系列優(yōu)異高溫性能，并具有優(yōu)異的比強度，比剛度以及耐磨性，故被認為是極有希望的新型先進輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。但多數(shù)金屬間化合物在室溫下的延展性低，在承受拉應力時，裂紋尖端幾乎不產(chǎn)生塑性變形即發(fā)生斷裂，這嚴重限制了其應用前景。

自然界貝殼主要由脆性材料碳酸鈣組成，但其力學性能卻十分優(yōu)異，其拉伸強度較普通碳酸鈣提高了3~10倍，斷裂韌性提高了3~7倍。通過觀察貝殼的顯微組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，它是由三級不同的層狀材料構(gòu)成的，由單晶碳酸鈣（納米級）鋪層而成的塊狀結(jié)構(gòu)（微米級）又構(gòu)成了厚為0.2mm的層狀結(jié)構(gòu)，在各層之間還存在垂直于面層的納米圓柱形文石晶體結(jié)構(gòu)。承受外界載荷時，貝殼失效過程不是災變性的，而是逐層失效，主要失效形式包括有機質(zhì)韌性層的塑形變形、碳酸鈣堅硬層的碎裂，片層拔出以及由各向異性引起的裂紋偏轉(zhuǎn)等。

受到貝殼材料特殊的強韌化原理的啟發(fā)，人們有了在韌性不足的金屬間化合物中加入軟質(zhì)材料層制備金屬間化合物基層狀復合材料的設(shè)計思想，即利用金屬間化合物提供高溫強度和蠕變抗力，同時利用韌性金屬改善金屬間化合物的脆性，使這類層狀復合材料具有優(yōu)異的性能。由于金屬間化合物基層狀復合材料具有獨特的疊層結(jié)構(gòu)和特殊的失效形式，使其除了具有高強度、高模量、低密度的優(yōu)異性能，還具有強大的吸收沖擊功的能力。這類材料的增韌機制和傳統(tǒng)上通過消除缺陷來提高韌性的方法不同，它是一種能量耗散機制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計減小了強度對缺陷的依賴性，成為一種耐缺陷材料。在強動載作用下，層狀復合材料的失效形式是產(chǎn)生層間開裂和橫向裂紋（垂直于片層），這些裂紋的產(chǎn)生和擴展吸收了大量的沖擊能量，從而使這種材料具有優(yōu)異的高吸能特性。因此，金屬間化合物基層狀復合材料綜合了金屬間化合物的高溫強度及高蠕變抗力和韌性金屬的高塑韌性等優(yōu)異性能，達到了改善金屬間化合物脆性的目的。

近年來的研究成果表明，金屬間化合物基層狀復合材料除了可用作高溫結(jié)構(gòu)材料以外，還可以用于航空、航天、武器裝備及地面軍用車輛的裝甲防護系統(tǒng)。據(jù)報道，這類“仿貝殼材料”裝甲的防護性能在原有基礎(chǔ)上提高近30倍。因此，研發(fā)這類材料具有重大的戰(zhàn)略意義。