由贝壳仿生学发展起来的金属间化合物基层状复合材料

许多金属间化合物具有抗蠕变，抗氧化，抗燃烧等一系列优异高温性能，并具有优异的比强度，比刚度以及耐磨性，故被认为是极有希望的新型先进轻质高温结构材料。但多数金属间化合物在室温下的延展性低，在承受拉应力时，裂纹尖端几乎不产生塑性变形即发生断裂，这严重限制了其应用前景。

自然界贝壳主要由脆性材料碳酸钙组成，但其力学性能却十分优异，其拉伸强度较普通碳酸钙提高了3~10倍，断裂韧性提高了3~7倍。通过观察贝壳的显微组织结构发现，它是由三级不同的层状材料构成的，由单晶碳酸钙（纳米级）铺层而成的块状结构（微米级）又构成了厚为0.2mm的层状结构，在各层之间还存在垂直于面层的纳米圆柱形文石晶体结构。承受外界载荷时，贝壳失效过程不是灾变性的，而是逐层失效，主要失效形式包括有机质韧性层的塑形变形、碳酸钙坚硬层的碎裂，片层拔出以及由各向异性引起的裂纹偏转等。

受到贝壳材料特殊的强韧化原理的启发，人们有了在韧性不足的金属间化合物中加入软质材料层制备金属间化合物基层状复合材料的设计思想，即利用金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，同时利用韧性金属改善金属间化合物的脆性，使这类层状复合材料具有优异的性能。由于金属间化合物基层状复合材料具有独特的叠层结构和特殊的失效形式，使其除了具有高强度、高模量、低密度的优异性能，还具有强大的吸收冲击功的能力。这类材料的增韧机制和传统上通过消除缺陷来提高韧性的方法不同，它是一种能量耗散机制，其结构设计减小了强度对缺陷的依赖性，成为一种耐缺陷材料。在强动载作用下，层状复合材料的失效形式是产生层间开裂和横向裂纹（垂直于片层），这些裂纹的产生和扩展吸收了大量的冲击能量，从而使这种材料具有优异的高吸能特性。因此，金属间化合物基层状复合材料综合了金属间化合物的高温强度及高蠕变抗力和韧性金属的高塑韧性等优异性能，达到了改善金属间化合物脆性的目的。

近年来的研究成果表明，金属间化合物基层状复合材料除了可用作高温结构材料以外，还可以用于航空、航天、武器装备及地面军用车辆的装甲防护系统。据报道，这类“仿贝壳材料”装甲的防护性能在原有基础上提高近30倍。因此，研发这类材料具有重大的战略意义。

由于钛铝系金属间化合物具有密度小、尺寸稳定性和热传导性良好、高温力学性能和抗氧化性能优越等特点，成为近年来国内外金属间化合物基层状复合材料的研究热点。在钛铝系金属间化合物中，金属间化合物Al3Ti的热力学性能和动力学性能优于其他类型的钛铝化合物（如TiAl和Ti3Al），它的弹性模量最高（215GPa）、密度最低（3.3g/cm3），几乎没有环境介质侵蚀的问题，因而更具发展应用前景。