Abstract There is a growing interest in the development of composites with complex structures designed to generate enhanced mechanical properties. The challenge is how to implement these structures in practical materials with the required degree of control. Here we show how freeze casting of ceramic preforms combined with metal infiltration can be used to fabricate Al 2 O 3 /Al-4wt% Mg micro-laminated composites. By manipulating the solid content of the suspension and the morphology of the ceramic particles (from platelets to round particles) it is possible to access a range of structures with layer thickness varying between 1 and 30 μm and metallic contents between 66 and 86 vol%. The mechanical response of the materials is characterized by combining bending tests with observation of crack propagation in two and three dimensions using different imaging techniques. These composites are able to combine high strength and toughness. They exhibit a rising R-curve behaviour although different structures generate different toughening mechanisms. Composites fabricated with Al 2 O 3 particles exhibit the highest fracture resistance approaching 60 MPa m 1/2 , while laminates prepared from Al 2 O 3 platelets exhibit higher strengths (above 700 MPa) while retaining fracture resistance up to ∼40 MPa m 1/2 . The results provide new insights on the effect of structure on the mechanical properties in metal-ceramic composites as well as on the design of appropriate testing procedures.

中文翻译：

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坚固而坚韧的金属/陶瓷微层压板

摘要 具有复杂结构的复合材料的开发越来越受到关注，以产生增强的机械性能。挑战在于如何以所需的控制程度在实际材料中实现这些结构。在这里，我们展示了如何将陶瓷预制件的冷冻铸造与金属渗透相结合来制造 Al 2 O 3 /Al-4wt% Mg 微层压复合材料。通过控制悬浮液的固体含量和陶瓷颗粒的形态（从片状到圆形颗粒），可以访问一系列结构，层厚在 1 到 30 μm 之间变化，金属含量在 66 到 86 vol% 之间。材料的机械响应通过将弯曲试验与使用不同成像技术的二维和三维裂纹扩展观察相结合来表征。这些复合材料能够结合高强度和韧性。尽管不同的结构会产生不同的增韧机制，但它们表现出上升的 R 曲线行为。用 Al 2 O 3 颗粒制造的复合材料表现出最高的抗断裂性，接近 60 MPa m 1/2 ，而由 Al 2 O 3 片晶制备的层压板表现出更高的强度（700 MPa 以上），同时保持高达 40 MPa m 1/ 的抗断裂性2 . 结果为结构对金属陶瓷复合材料机械性能的影响以及适当测试程序的设计提供了新的见解。这些复合材料能够结合高强度和韧性。尽管不同的结构会产生不同的增韧机制，但它们表现出上升的 R 曲线行为。用 Al 2 O 3 颗粒制造的复合材料表现出最高的抗断裂性，接近 60 MPa m 1/2 ，而由 Al 2 O 3 片晶制备的层压板表现出更高的强度（700 MPa 以上），同时保持高达 40 MPa m 1/ 的抗断裂性2 . 结果为结构对金属陶瓷复合材料机械性能的影响以及适当测试程序的设计提供了新的见解。这些复合材料能够结合高强度和韧性。尽管不同的结构会产生不同的增韧机制，但它们表现出上升的 R 曲线行为。用 Al 2 O 3 颗粒制造的复合材料表现出最高的抗断裂性，接近 60 MPa m 1/2 ，而由 Al 2 O 3 片晶制备的层压板表现出更高的强度（700 MPa 以上），同时保持高达 40 MPa m 1/ 的抗断裂性2 . 结果为结构对金属陶瓷复合材料机械性能的影响以及适当测试程序的设计提供了新的见解。用 Al 2 O 3 颗粒制造的复合材料表现出最高的抗断裂性，接近 60 MPa m 1/2 ，而由 Al 2 O 3 片晶制备的层压板表现出更高的强度（700 MPa 以上），同时保持高达 40 MPa m 1/ 的抗断裂性2 . 结果为结构对金属陶瓷复合材料机械性能的影响以及适当测试程序的设计提供了新的见解。用 Al 2 O 3 颗粒制造的复合材料表现出最高的抗断裂性，接近 60 MPa m 1/2 ，而由 Al 2 O 3 片晶制备的层压板表现出更高的强度（700 MPa 以上），同时保持高达 40 MPa m 1/ 的抗断裂性2 . 结果为结构对金属陶瓷复合材料机械性能的影响以及适当测试程序的设计提供了新的见解。