[发明专利]一种双增韧的仿贝壳结构复合陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明属于复合结构陶瓷材料技术领域，具体涉及一种双增韧的仿贝壳结构复合陶瓷材料及其制备方法。所述制备方法包括：工序一：将片状氧化铝、纳米颗粒氧化铝、纳米颗粒氧化锆、十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮置于球磨罐中，加入去离子水球磨；工序二：将球磨后的浆料倒入模具中，倒入液氮使其冻结，将冻好的坯料置于冷冻干燥机中，获得生坯；工序三：将制得的生坯在高温下热处理，完成排胶后，热压烧结。本发明利用冷冻干燥工艺，将氧化铝与氧化锆的混合浆料定向成型先得到具备砖泥结构的生坯，然后经过热压烧结后得到由纯无机相组成的仿贝壳陶瓷复合材料，该材料具有良好的弯曲强度和断裂韧性，且制备工艺简单，制备过程环保。

技术领域

本发明属于复合结构陶瓷材料技术领域，具体涉及一种双增韧的仿贝壳结构复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

贝壳珍珠层是一种天然的层状复合材料，通过对珍珠贝的系统研究发现珍珠贝的结构一般可以分为三个部分，其中最外层是角质层，其次是棱柱层，最内层是珍珠质层。角质层很薄，主要由蛋白质构成，主要作用是保护棱柱层，使其免受水环境中某些离子的侵蚀。棱柱层由垂直于贝壳壳面的极细的柱状方解石晶体和有机质组成，小棱柱彼此平行，并且在柱间镶嵌着有机基质。珍珠质是由文石碳酸钙小板片与层间有机基质层交替层叠排列形成。从贝壳的微观结构来看，在界面处还存在很多细小的纳米微凸体，这些微凸体的存在，增加了相邻片层间的界面结合面积，从而影响贝壳的性能。

受贝壳独特的结构特征和优异的力学性能启发，人们提出很多种方法来制备仿贝壳结构层状材料。Ekiz等人采用热压辅助流延成型技术将Al₂O₃和环氧树脂混合浆料注入多孔模具中，随后通过热压烧结制备了仿贝壳复合材料。但最终复合材料的断裂功仅为254J/m²，远远小于贝壳的断裂性能(1240J/m²)；Wang等人使用SiC晶须加入Si₃N₄基体中，或将Al₂O₃和Si₃N₄加到BN夹层中，并借助挤压轧制和热压烧结等技术制备了层状复合材料，其断裂韧性(KIC)最高可达28MPa·m^1/2，断裂功可以达到4000J/m²，但是材料韧性的增加却是以强度的降低作为代价的。

为了同时增加复合材料的强度和韧性，现有技术中提出了一种将冰模板与浸渗技术相结合制备陶瓷-金属，陶瓷-树脂仿贝壳结构层状复合材料，但发明人发现，其虽然能够获得增强的强度和韧性，但强度依然难以满足需求，且采用的制备方法复杂，操作难度高，不利用广泛应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种双增韧的仿贝壳结构复合陶瓷材料及其制备方法，本发明利用冷冻干燥工艺，将氧化铝与氧化锆的混合浆料定向成型先得到具备砖泥结构的生坯，然后经过热压烧结后得到由纯无机相组成的仿贝壳陶瓷复合材料，该材料具有良好的弯曲强度和断裂韧性，且制备工艺简单，制备过程环保。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种双增韧的仿贝壳结构复合陶瓷材料的制备方法，具体工序包括：

工序一：将片状氧化铝、纳米颗粒氧化铝、纳米颗粒氧化锆、十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮置于球磨罐中，加入去离子水球磨；

工序二：将球磨后的浆料倒入模具中，倒入液氮使其冻结，将冻好的坯料置于冷冻干燥机中，获得生坯；

工序三：将制得的生坯在高温下热处理，完成排胶后，热压烧结。