[发明专利]一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法，是基于文蛤壳与脉红螺壳质量轻、强度高、韧性好的结构共性与功能特性，采用热压烧结技术一次性制备成型，为工程中广泛应用的陶瓷/Al复合材料的强度与韧性共同提升提供一种新思路和新方法。本发明的技术方案是：以不同B₄C含量的B₄C/5083Al硬质层分别为外层、中间层和内层，并满足“软—最硬—较硬”和“软—较硬—最硬”的硬度变化模式，各硬质层之间采用柔韧的软质铝层进行连结，构成“层层复合”，“软硬相间”的结构形式。本发明所制备的仿生层状高强、高韧材料质量轻、力学强度高、制备过程简单、成本低，应用范围广。

技术领域

本发明涉及一种仿生材料，特别涉及一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法。

背景技术

现代工业技术的快速发展对材料的综合性能以及在高温、高速、高载荷条件下服役的能力要求越来越高。材料要兼具轻质、高强度、高韧性等性能，这为工程材料的设计与制备提出了更高、更苛刻的要求。如何保证机械部件材料质量轻、强度高、韧性大是众多工程领域亟待解决的问题。陶瓷增强铝基复合材料把陶瓷增强相的高强度、高硬度、高弹性模量与铝基体的低密度、高韧性相结合，展现出了轻质、高强、高韧等良好的综合性能。然而，陶瓷增强相的加入在提高铝基复合材料比强度和比模量的同时，降低了材料的塑料与韧性，这成为铝基复合材料结构件服役期间主要失效模式之一，大大限制了其在高冲击力、高应力等环境下的应用。可见，同时提高陶瓷增强铝基体复合材料的强度、刚度、韧性，制备兼具轻质、高强、高韧的陶瓷/Al复合材料对于提高工程部件综合性能至关重要。为解决该问题，国内外研究人员不仅对陶瓷颗粒及Al基体改性，而且也对制备方法进行改进，但均存在较多的不足之处。比如：1、对界面的改性会导致一些低熔点物质气化的现象，造成产物中存在较高的气孔缺陷；2、对陶瓷相的改性会出现，陶瓷含量较低时，材料硬度不足；陶瓷含量过高时，难于控制陶瓷分布，易割裂基体材料，无法满足实际生产中对材料兼具多种性能的要求；3、改进制备工艺，易导致制备成本增加，限制适用范围。上述研究虽然取得了一定的进展与成效，但远远还不能满足复合材料在更为苛刻的应力条件下的应用，亟待进一步研究。

自然界有许多生物，如贝类、甲壳类动物、人和动物的骨骼与牙齿等，它们质量轻、硬度高、强度大、韧性好，这为提高陶瓷增强铝基复合材料性能提供了新的启示。文蛤与脉红螺作为典型的贝壳类生物，虽然结构形貌不同，但均表现出质量轻、强度高、韧性好的特点。这两种生物的壳类在结构特点上，均具有分层结构的共性。各层之间相互作用，使其壳体展现出优异的高强、高韧等力学特性，避免其遭受天敌的捕食。文蛤壳与脉红螺壳的分层结构共性为解决具有重大工程应用背景的材料强度、刚度与韧性共同提升的矛盾问题提供了崭新的设计思路。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中，陶瓷/Al复合材料轻质、高强、高韧功能相兼顾的问题，而提供一种仿生层状高强、高韧材料的制备方法；

将文蛤壳和脉红螺壳的结构共性所具有的轻质、高强、高韧结构特性与功能原理应用到提升陶瓷/Al复合材料的强度与韧性设计制造中，本发明采用仿生学理念，以文蛤和脉红螺壳的结构共性为设计思路，设计并制备一种仿生高强、高韧材料，使其兼具轻质、高强、高韧的功能特性，为工程中广泛应用的陶瓷/Al复合材料的强度与韧性共同提升提供一种新思路、新途径和新方法。

本发明的技术方案是基于文蛤壳和脉红螺壳轻质、高强、高韧特性与原理，以B₄C/5083Al体系为硬质层，5083Al为软质层，采用热压烧结技术，设计并制备一种仿生层状高强、高韧材料，使其兼具质量轻、强度高、韧性好的功能，为工程中广泛应用的陶瓷/Al复合材料的强度与韧性共同提升提供一种新思路和新方法。

仿生层状高强、高韧材料以10wt.％～30wt.％B₄C/5083Al分别为各硬质层材料，各硬质层满足特定的硬度分布模式，各硬质层之间采用柔韧的5083Al层进行连结；在宏观上构成“层层复合”，“软硬相间”的结构形式；