硬、脆是陶瓷典型特征，在大多應(yīng)用中“硬”是優(yōu)點，“脆”是缺點。脆性材料往往突然失效（碎裂、崩角），由此導(dǎo)致的不可靠，難加工等問題尤其限制了先進陶瓷的應(yīng)用空間和價值。8月初，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的INTACT（低成本高韌性陶瓷）計劃內(nèi)容更新，顯示將通過冷噴涂加工（CSP）技術(shù)來實現(xiàn)陶瓷增韌。

金屬材料普遍具備較高韌性，主要因為金屬鍵無方向性，原子滑移后瞬間就會重建鍵合。而陶瓷脆性根源在于共價鍵強方向性，所以其在遭遇微米級缺陷也無法通過位錯增殖形成塑性緩沖，往往發(fā)生災(zāi)難性失效。通過人工引入位錯，形成類似金屬的變形機制就成了先進陶瓷突破脆性限制的有效方案。

冷噴涂工藝示意圖（圖源：phillips）

冷噴涂加工（Cold Spray Processing, CSP）最早在1980年代開發(fā)出來，它利用加壓氣體（如空氣、氮氣或氦氣）在高溫下作為推進氣體，通過特殊設(shè)計的噴嘴將金屬或陶瓷粉末加速到300-1200m/s的速度。當這些高速粉末顆粒撞擊基底表面時，它們經(jīng)歷嚴重塑性變形后沉積形成涂層或塊體沉積物。

與熱噴涂相比，CSP不僅可以避免高溫可能導(dǎo)致的分解、氧化以及晶粒粗化等問題，而且高速撞擊產(chǎn)生的剪切應(yīng)力超過陶瓷的屈服強度，迫使晶格滑移，形成位錯纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，而高位錯區(qū)形成局部殘余壓應(yīng)力場，迫使微裂紋繞行或分叉，消耗斷裂能，從而實現(xiàn)陶瓷增韌。

即便上述理論支撐冷噴涂技術(shù)用于陶瓷增韌，但實際挑戰(zhàn)仍然很多。比如陶瓷顆粒的臨界沉積速度極高，界面結(jié)合強度與冶金結(jié)合無法相比，陶瓷粉體的粒度粒形對沉積影響極大，工藝可控性較差……

冷噴涂修復(fù)前后對比

美國推動的這項為期兩年的項目，匯集了大學(xué)和工業(yè)合作伙伴，由明尼蘇達大學(xué)David Poerschke教授領(lǐng)銜，集結(jié)高校與工業(yè)界合作團隊。佛羅里達國際大學(xué)（Tanaji Paul教授主導(dǎo)）、弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)（Arvind Agarwal教授）、Solvus Global（Pin Lu博士與Victor Champagne博士）負責冷噴涂工藝開發(fā)與規(guī)模化應(yīng)用，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校團隊（Matthew Daly教授）專注斷裂行為與位錯穩(wěn)定性研究。Citrine Informatics（James Saal博士）將發(fā)揮關(guān)鍵作用，利用現(xiàn)有金屬冷噴涂機器學(xué)習模型進行參數(shù)建模和優(yōu)化。

粉體圈 啟東