[发明专利]一种短纤维增强取向MAX相陶瓷基复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及MAX相陶瓷基复合材料领域，具体为一种短纤维增强取向MAX相陶瓷基复合材料及制备方法。采用以纤维、纳米片层状MAX相陶瓷粉，其他添加物等制备纤维增强MAX相陶瓷基复合材料的新工艺，制备出高度取向片层状MAX相陶瓷构成的基体，纤维轴向方向平行片层状MAX相陶瓷分布，颗粒状陶瓷相增强相弥散分布在基体的新型三元复合材料。从而，解决现有方法制备的MAX相陶瓷基复合材料基体材料晶粒粗大，内部缺陷多强度偏低，断裂韧性差；以及反应烧结温度过高纤维，纤维在基材中发生化学及物理损伤导致性能下降等问题。该方法制备纤维适合大批量工业化制备，性能远超现有任何已知的纤维MAX相复合材料。

技术领域

本发明涉及MAX相陶瓷基复合材料领域，具体为一种短纤维增强取向MAX相陶瓷基复合材料及制备方法。

背景技术

MAX相材料(如：Ti₃SiC₂、Ti₂AlC、Nb₂AlC等)作为陶瓷材料室温断裂韧性达6～8MPa.m^1/2左右，同时具有高的结构强度、抗氧化、抗热腐蚀、耐辐照、损伤自愈等特点，某些种类的最高使用温度达1700℃。但是其强度和硬度远低于Al₂O₃、TZP、YAG等传统陶瓷，室温脆性大可靠性低于传统金属材料。为了提高其强度、硬度、及韧性，第二相颗粒(如：SiC、Al₂O₃、Ti₅Si₃、TiB₂、W)的强化和Nb、Si、N等元素的固溶强化已经被人尝试。当第二相颗粒含量在10％质量分数左右时，复合材料的韧性达最大值8～9MPa.m^1/2左右，但是10wt％左右的颗粒含量对强度、硬度和韧性提升有限，超过临界含量之后韧性就急剧下降。而且，大多数颗粒强化的MAX相材料第二相颗粒存在于晶界，材料晶界含孔洞及微裂纹，这些缺陷是材料破坏的裂纹萌生处和裂纹扩展的良好通道。所以，探索新的强韧化方法非常必要，作为陶瓷基复合材料而言，性能提升较高的纤维基体强韧化方法在MAX相材料领域并不充分，这可能跟MAX相材料烧结过程中跟大多数纤维反应有关。

提高陶瓷材料的韧性就是扩大材料中裂纹扩展的阻力，其主要途径是在陶瓷材料中设置能阻碍裂纹扩展的机制，增加裂纹扩展所需的能量。其中，固溶强化和颗粒强化已经被现有的工作证明起不到明显的增韧作用。而纤维增韧的方法能使裂纹扩展过程中出现纤维基体弱界面脱粘，导致的裂纹偏转和裂纹扩展能量被吸收。在材料的进一步破坏中，还会出现纤维桥联、纤维断裂和纤维拔出等过程，这些过程中纤维与基体之间的作用会降低裂纹扩展速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短纤维增强取向MAX相陶瓷基复合材料及制备方法，解决现有制备纤维MAX相复合材料的方法制备的陶瓷基复合材料反应合成温度很高，反应合成的MAX相基体材料晶粒非常粗大，内部缺陷多强度偏低，断裂韧性差；以及反应烧结温度过高纤维，纤维在基材中发生化学及物理损失导致性能下降等问题。

本发明的技术方案是：

一种短纤维增强取向MAX相陶瓷基复合材料，经烧结制备的MAX相陶瓷基复合材料具有以下特征：纳米片层状MAX相陶瓷构成的基体高度取向，用于增强的短纤维分布在MAX相陶瓷基体中，且短纤维轴向方向平行纳米片层状MAX相陶瓷。

所述的短纤维增强取向MAX相陶瓷基复合材料，短纤维采用直接化学合成得到的短纤维、短切处理的连续纤维或可直接搅拌短纤维化的纤维原棉，其中：直接化学合成得到的短纤维为晶须或纳米线，短切处理的连续纤维为碳纤维、碳化硅纤维、玻璃纤维或硼纤维，可直接搅拌短纤维化的纤维原棉为氧化铝纤维原棉或玻璃纤维原棉。

所述的短纤维增强取向MAX相陶瓷基复合材料，短纤维的纤维直径在0.02～100微米，短纤维的纤维长度在0.1～5000微米；纳米片层状MAX相陶瓷的规格尺寸为厚度20～400纳米，宽度0.05～10微米。