[发明专利]一种用于海洋环境下的多层结构氧化铝复合陶瓷

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于海洋环境下的多层结构氧化铝复合陶瓷，属于海洋环境下服役的复合材料的设计技术领域。

背景技术

全面实现海洋安全已成为新时代新形势下我国重大战略问题。海洋科技也是化解世界性能源和环境难题的新途径。而海洋工程装备常常依赖于材料科技的发展和突破，尤其依赖于海洋专用材料的研究和进展。面对新一代海洋武器装备苛刻的使用环境要求，很多传统材料和技术已经不能满足高技术装备创新和跨越发展的需要。大多数常用的金属材料、无机材料、高分子材料都受到不同程度的腐蚀和损伤。陶瓷材料因其具有高强度、高硬度、高弹性模量、抗腐蚀、耐磨损等优异的性能，已在航空、航天、核能、轨道交通等高端装备机械系统中得到应用。但是陶瓷材料的缺点是其本征的脆性以及作为摩擦材料时摩擦系数高，从而制约了陶瓷材料作为润滑材料的广泛应用。

陶瓷润滑复合材料除具有一般固体润滑材料的优点，如使用温度范围宽、低摩擦、抗污染、高承载外，还具有密度低、结构理想、化学稳定性和热稳定性优异以及使用寿命长等特点，可以在强腐蚀等特殊工况下实现有效润滑，在高技术领域具有广泛的应用前景。虽然近年来新型陶瓷材料在石油、化工、冶金、机械等领域的应用非常活跃，利用陶瓷的耐磨性、耐腐蚀性制作耐磨耐腐蚀零部件代替金属材料。但是，由于陶瓷材料的本征脆性以及由摩擦学设计所带来的材料力学性能的下降，导致其使用的可靠性和抗破坏性较差，从而制约了陶瓷润滑复合材料在机械领域更为广泛的应用和产业化进程。因此, 设计制备兼具优异力学性能（高强度、高韧性）、抗腐蚀和摩擦学性能（低摩擦磨损）的陶瓷润滑复合材料，对推动其在我国航空航天、核能、轨道交通、海洋工程装备等领域的应用和加快国产高性能高端装备的研制具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在海洋环境下具有高强度、高断裂韧性等优异力学性能、良好耐腐蚀性能和优异摩擦学性能的多层结构氧化铝复合陶瓷。

一种用于海洋环境下的多层结构氧化铝复合陶瓷，其特征在于该复合陶瓷由氧化铝层和金属镍层交替叠加构成，其中氧化铝层为表层，金属镍层为间隔层，氧化铝层的厚度为280 μm ~ 1800 μm，金属镍层的厚度为40 μm ~100 μm，这种多层结构和金属镍层的存在可有效提升该材料的力学性能和抗腐蚀性能。

为了进一步提高材料的力学性能，在所述氧化铝层和金属镍层中间还可增加氧化铝-镍复合相的过渡层，所述过渡层中金属镍的含量为10 wt.% ~ 50 wt.%，过渡层厚度为40 μm ~80 μm；所述过渡层与金属镍层间可增设网状凹槽结构，该凹槽结构从界面处朝向过渡层侧，所述网状凹槽结构中凹槽宽度为0.2~0.8 mm,凹槽间距为0.4~1.6 mm，深度不大于过渡层厚度。此过渡界面和网状凹槽结构可有效调节界面结合强度，从而提高材料的整体力学性能。

如上所述多层结构氧化铝复合陶瓷在氧化铝表层还可具有PTFE膜和激光加工的织构图案结合的三维复合润滑结构，以提高材料在海洋环境下的摩擦学性能。方案如下：位于氧化铝表层具有织构图案，织构图案上喷涂有PTFE膜，形成表层氧化铝层上的织构图案+织构图案上的PTFE膜组成的复合润滑结构；也可在氧化铝表层喷涂PTFE膜，然后在PTFE膜上加工织构图案，形成表层氧化铝层上的PTFE膜+PTFE膜上的织构图案组成的复合润滑结构；还可以结合前两种形成表层氧化铝层上的织构图案+PTFE膜的结构+ PTFE膜上的织构图案组成的复合润滑结构。所述织构图案为微坑，沟槽，网格或者方坑等结构，微坑直径为50 μm ~ 200 μm，沟槽、网格和方坑的宽度为30 μm ~ 70 μm。织构图案密度为5%~ 45%，深度为10 μm ~ 20 μm，所述PTFE膜厚为20 μm ~ 35 μm。通过此复合润滑结构的配置，可显著提高材料在不同服役环境下的润滑性能。

本发明的优点是：

1、材料由异质的硬质层氧化铝和金属镍层相间排列而成，形成强弱界面结合的多层结构。这种材料基于多层结构和金属特性，通过内外两种增韧机制提高材料的力学性能。同时利用过渡界面和界面网状凹槽结构可有效调控界面结合强度，总体上提高材料的服役可靠性。

2、基于层结构氧化铝复合陶瓷的三维复合润滑结构能够在保证材料力学性能的基础上实现优异的海水环境润滑性能和疏水自清洁功能。

附图说明

图1为多层结构氧化铝复合陶瓷的显微照片。

图2为具有过渡界面的多层结构氧化铝复合陶瓷的显微照片。

图3为具有过渡界面和网状凹槽结构调控的多层结构氧化铝陶瓷示意图。