[发明专利]一种自增韧纤维独石结构陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开一种自增韧纤维独石结构陶瓷，该材料由按一维定向方式排布的陶瓷纤维胞体和胞体间相对较薄的界面分隔层组成，其中界面分隔层和纤维胞体为同种陶瓷材料，且界面分隔层陶瓷的晶粒尺寸大于纤维胞体的晶粒尺寸。本发明还公开了该独石结构陶瓷的制备方法。本发明晶粒较大的界面分隔层起到诱导裂纹发生偏转、分叉和横向扩展的同时，还可避免界面层在高温环境下发生氧化或因热失配导致的剥离，从而提高材料在高温环境下长期服役的可靠性。

技术领域

本发明涉及一种自增韧纤维独石结构陶瓷及其制备方法，属于结构材料领域，特别是仿生结构材料领域。

背景技术

陶瓷材料具有高熔点、高硬度、耐磨损、抗氧化以及轻质高强等诸多金属材料和高分子材料所不具备的优异特性，在高温环境下作为结构材料具有广泛的应用前景。但是陶瓷材料的本征脆性问题，严重地降低了材料的可靠性和稳定性。该领域研究人员经过多年努力发展了多种陶瓷的增韧方法，如，相变增韧、晶须增韧、颗粒弥散增韧以及仿生结构增韧等。

上世纪80年代，Coblenz等人（U.S. Patent 4772524[P]）通过模仿竹木结构提出了纤维独石结构，纤维状的胞体按一定方式排布，有相对较薄的胞界面分隔并集合成一个块体。这种特殊的结构可使材料断裂时裂纹发生偏转、增殖、横向扩展等，进而使裂纹钝化，从而提高材料的断裂韧性和断裂功。Baskaran和清华大学汪长安等人（J. Am. Ceram.Soc., 1993, 76(9): 2209-2216；《高性能多相复合陶瓷》清华大学出版社，pp: 285-351,2008）深入研究了多个体系纤维独石结构陶瓷的制备方法及断裂行为，涉及SiC/C、Si₃N₄/BN、Al₂O₃/Ni、TZP/Al₂O₃、Ce-TZP/Ce-TZP-Al₂O₃等体系，表明该结构可显著提高陶瓷材料的抗断裂性能和抗热震性能。

然而长期在高温环境下服役，这类纤维独石结构陶瓷存在异质相界面分隔层氧化或纤维胞体和界面分隔层因热失配使得界面层脱落的问题，从而影响了构件在高温条件下长期服役的可靠性。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种具有长期耐高温抗氧化性能的自增韧纤维独石结构陶瓷及其制备方法。

一种自增韧纤维独石结构陶瓷，该陶瓷由按一维定向方式排布的陶瓷纤维胞体和胞体间相对较薄的界面分隔层组成，如图1所示，其特征在于，界面分隔层与纤维胞体为同种陶瓷材料，形成单一组份的纤维独石结构陶瓷，且界面分隔层陶瓷的晶粒尺寸要大于纤维胞体的晶粒尺寸，通过晶粒尺寸的差异形成单一组份的纤维独石结构陶瓷。由于整个材料都是由单一组分的同种陶瓷组成，因此在高温条件下具有优异的抗氧化性能、可避免因热失配引发的可靠性差的问题，从而实现长时间在高温环境下的稳定可靠服役。

上述纤维独石结构陶瓷的成分可以是Al₂O₃、SiC、Si₃N₄以及ZrO₂等陶瓷材料。

纤维胞体和界面分隔层陶瓷晶粒尺寸的差异是形成自增韧纤维独石结构的关键，差异越大，越有益于界面起到诱导裂纹扩展的效果。因此，其中界面分隔层陶瓷材料的晶粒尺寸最好大于纤维胞体陶瓷晶粒尺寸一个数量级以上。

作为本发明的另一个优选方案，其中纤维胞体直径为100~1200 μm，界面分隔层的厚度为10~50 μm。

本发明还提供了如上所述自增韧纤维独石结构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

1）陶瓷纤维胞体的制备：将细晶陶瓷粉加入到PVA（聚乙烯醇）（聚合度1750±50）水溶液中形成陶瓷浆料，其中PVA作为胶黏剂。然后将混合均匀的陶瓷浆料通过挤制的方法形成陶瓷纤维胞体，且可通过挤出口的内径控制所得纤维胞体的直径，挤出的纤维胞体晾干后可用于下一步操作。