[发明专利]一种仿贝壳陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种仿贝壳陶瓷基复合材料，采用冰模板法和液相浸渗技术制备，其特征在于，具有陶瓷层与第二相层交替叠层而形成的层状结构，所述陶瓷层具有表面凸起和层间桥接结构，所述陶瓷层和第二相层是波浪状弯曲的。本发明通过对平直层状结构的多孔陶瓷坯体进行压缩而实现了波浪状弯曲的层状结构的制备，同时，通过调整坯体的压缩变形量可实现陶瓷层弯曲程度的控制。压缩量越大，坯体中的弯曲的陶瓷层的曲率越大。力学性能测试表明，适当增加仿贝壳陶瓷基复合材料的层状结构的弯曲程度，可有效提高该复合材料的强度和断裂韧性。

技术领域

本发明涉及一种仿贝壳陶瓷基复合材料及其制备方法，属于陶瓷基复合材料技术领域。

背景技术

陶瓷材料具有强度高、熔点高、热稳定性好、热膨胀系数较小、抗氧化性好、密度低、硬度大、耐磨、资源丰富、价格低廉等优点，在航空航天、能源、机械、汽车等领域有着广泛的应用前景。然而，陶瓷材料所固有的脆性，使其对缺陷十分敏感，使用可靠性较差，从而严重制约了其进一步的发展和大规模的工程应用。

仿生结构设计是改善材料性能的一种重要手段。自然界中的贝壳珍珠层是由脆性文石晶片(CaCO₃)和韧性有机基质以强弱相间的层状形式复合而成的，其兼具了文石晶片的强度和有机质的韧性，具有比文石晶体高得多的综合机械性能，例如，其断裂功比纯文石高出3000倍以上，远远超过目前的人造材料。贝壳珍珠层优异的力学性能主要源自于其复杂的微观结构。首先，其具有文石与有机质交替层叠而形成的层状结构，但是这些层不是平直的，而是波浪状弯曲的，也就是说贝壳珍珠层所具有的层状结构不是平直的，而是波浪状弯曲的；其次，文石层表面不是光滑的，而是具有大量的颗粒状文石凸起，粗糙不平；此外，相邻两层的文石层间存在由文石构成的矿物桥。

目前，模仿贝壳结构，人们已经通过在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料(如树脂或金属)，制成了多种具有层状结构的陶瓷基复合材料，或称为层状陶瓷基复合材料。然而，在这些层状陶瓷基复合材料中同时形成类似于贝壳珍珠层中的层表面凸起物、层间矿物桥和波浪状弯曲的层状结构的精妙结构仍是困难的，这是目前仿贝壳陶瓷基复合材料的力学性能仍然相对较低的主要原因之一。

冰模板法是近年来出现的一种制备层状多孔陶瓷的有效方法。该方法先将微、纳米级陶瓷颗粒的水分散液进行定向冷冻，在该陶瓷颗粒水分散液中形成定向生长的片状冰晶，而水在结冰的过程中，会把分散在水中的陶瓷颗粒排挤到冰晶之外，这样，这些陶瓷颗粒会陷落并堆积于这些片状冰晶之间的空隙处，形成层状的冷冻体。通过对这些层状的冷冻体进行冷冻干燥，可以除去其中的冰晶，得到层状的陶瓷颗粒组装体，即层状多孔陶瓷坯体。通过对多孔陶瓷坯体进行高温烧结，可以得到层状多孔陶瓷骨架，这些层状多孔陶瓷骨架中的层平面方向与陶瓷颗粒水分散液的定向冷冻方向是基本平行的。由于陶瓷颗粒水分散液在定向冷冻时，形成的片状冰晶表面会产生枝晶，使陶瓷颗粒水分散液中的一部分陶瓷颗粒陷落于枝晶的间隙中，因而，冰模板法制备的层状多孔陶瓷骨架中可以存在陶瓷层的表面凸起和层间陶瓷桥结构。通过液相浸渗的方式，可以将液相金属或树脂注入到层状多孔陶瓷骨架中，待金属或树脂固化后，便可得到层状陶瓷基复合材料。这些层状陶瓷基复合材料中存在的陶瓷层表面凸起和层间陶瓷桥结构，分别类似于贝壳珍珠层中的文石层表面凸起和层间矿物桥结构。

然而，这些层状陶瓷基复合材料内部的层状结构通常是平直的，也就是说它们内部的陶瓷层通常是平直的，不同于贝壳珍珠层中波浪状弯曲的层状结构，这使得与贝壳珍珠层相比，它们的力学性能仍然不够高。这里，我们把这些层状陶瓷基复合材料称作为具有平直的层状结构的仿贝壳陶瓷基复合材料。

发明内容

本发明的目的是模仿贝壳珍珠层的微观结构，制备一种仿贝壳陶瓷基复合材料，具有波浪状弯曲的层状结构，同时，复合材料中存在陶瓷层表面凸起和陶瓷层间桥接结构。与现有的冰模板法和液相浸渗技术制备的层状陶瓷基复合材料相比，本发明仿贝壳陶瓷基复合材料的微观结构与贝壳珍珠层的微观结构更为相似，从而可以获得较好的力学性能。