[发明专利]仿效天然材料并通过冷烧结制成的结构化陶瓷复合材料

说明书

本文描述了单层和多层冷烧结的陶瓷复合材料以及由嵌入开孔非陶瓷基体的孔内的无机化合物制备它们的方法。基于开孔基体的冷烧结方法和微结构的多样性允许制造具有优异强度、韧性和抗裂纹扩展性的各种单层和多层冷烧结的陶瓷复合材料。

优先权

本申请要求2016年12月16日提交的美国临时专利申请序列号62/435187的优先权权益，其中每一项的优先权权益均在此要求保护，并且每一项的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

烧结许多陶瓷和复合材料以降低孔隙率并增强材料的性能，如强度、导电性、半透明性和导热性。烧结方法涉及应用高温，通常高于1000℃，以致密化和改善材料的性质。然而，使用高烧结温度妨碍了某些类型材料的制造、限制了非陶瓷材料如聚合物的使用并且增加了制造材料的费用。

某些烧结陶瓷的低温方法能够解决与高温烧结相关的一些挑战。例如，超低温共烧陶瓷(ULTCC)可在450℃至750℃烧制。参见，例如He等人，“Low-Temperature SinteringLi₂MoO₄/Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄ Magneto-Dielectric Composites for High-FrequencyApplication”，J.Am.Ceram.Soc.2014：97(8)：1-5。此外，Li₂MoO₄的介电性能可以通过润湿水溶性Li₂MoO₄粉末，压缩它，并在120℃下对所得样品进行后处理来改善。参见Kahari等人，J.Am.Ceram.Soc.2015：98(3)：687-689。即使如此，虽然Li₂MoO₄粉末的粒径小于180微米，但Kahari教导较小的粒径使粉末均匀润湿变得复杂，从而导致黏土状团簇、密度不均匀、翘曲和开裂，并最终得出结论：大粒径是有利的。

使用常规烧结方法难以制造复杂形状或接近成品形状的陶瓷部件。另外，使用常规烧结方法难以制造具有低脆性的陶瓷部件。常规烧结方法的高温导致陶瓷材料的体积变化，从而难以控制烧结部件的尺寸和导致脆性的缺陷。

在烧结步骤期间加入非陶瓷材料，例如聚合物，可以得到陶瓷复合材料(CCM)。通过将陶瓷材料和非陶瓷材料混合在一起制造的CCM的性能改进主要限于构成材料的性质和它们的组成(重量％或体积％)。通常，这种非均匀混合物的性能改进将受混合物的复合规则控制。此外，使用陶瓷和复合材料制造的常规技术，难以将陶瓷和非陶瓷材料组合成陶瓷复合材料。这是由于陶瓷烧结过程中通常使用的高温(超过陶瓷熔化温度的0.5倍)。对于非陶瓷材料，例如聚合物，高烧结温度会导致聚合物降解。更具挑战性的是控制通过组合陶瓷和非陶瓷材料制成的复合材料的结构。

发明内容

本公开通过提供结构化冷烧结陶瓷复合材料及其制造方法解决了这些和其他挑战。这些方法能够精心定制非陶瓷微结构，类似于如珍珠质、釉质、牙本质、骨、木和龟壳的天然材料与一种或多于一种可进行冷烧结方法的无机化合物结合。所得复合材料具有由冷烧结无机化合物施加的高强度和高刚度，并且非陶瓷微结构用于增韧，由此复合材料对裂纹扩展具有显著的恢复力。

因此，在一个实施方案中，本发明提供了一种制备冷烧结陶瓷复合材料的方法，其包括以下步骤：

a.用(1)至少一种数均粒径小于约30μm的颗粒形式的无机化合物和(2)其中无机化合物至少部分可溶的溶剂填充开孔基体的多个开孔，以获得填充孔的基体，其中开孔基体由至少一种非陶瓷材料组成；和

b.使填充孔的基体经受不高于约5000MPa的压力和不超过溶剂沸点(在1巴下测定)200℃的温度(T₁)，以获得结构化冷烧结的陶瓷复合材料。

另一个实施方案是通过本文所述方法制备的冷烧结的陶瓷复合材料。