[发明专利]一种基于纳米织构增韧的仿生层状氧化铝形貌复合陶瓷材料

说明书

一种基于纳米织构增韧的仿生层状氧化铝形貌复合陶瓷材料，本发明涉及一种结构陶瓷材料及其制备方法。本发明要解决现有结构陶瓷韧性低、基于纯强‑弱夹层和纯强‑强夹层结构使陶瓷强度降低或增韧效果提升幅度非常有限的问题。陶瓷材料为等轴状晶粒的基体Al₂O₃增强层和片状晶粒的纳米织构Al₂O₃增韧层交替排列成对称结构。方法：一、采用流延工艺制备等轴状晶粒的基体Al₂O₃增强层素体膜片；二、采用流延工艺制备片状晶粒的纳米织构Al₂O₃增韧层素体膜片；三、将两种膜片叠压、热水匀压、排胶和冷等静压；四、结合气氛烧结和热等静压烧结制备仿生层状Al₂O₃复合陶瓷。

技术领域

本发明涉及一种结构陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

先进结构陶瓷材料因其具有优异的性能，例如耐高温、耐腐蚀、抗氧化、耐磨损、高强度、高硬度等，已经逐步成为航空航天、新能源、电子信息、冶金、石油化工、汽车、生物机械等工业技术领域不可缺少的关键材料。作为21世纪科技领域基础材料之一的氧化铝(Al₂O₃)是先进结构陶瓷中的典型材料，也是现代社会中应用最广泛的陶瓷材料之一。Al₂O₃虽具有以上诸多的优点，但也像其他陶瓷一样，具有致命的弱点，即本身脆性大，对缺陷十分敏感，韧性低。这决定了其使用可靠性低和抗破坏能力差，制约了其进一步的发展和大规模的工程应用。提高Al₂O₃的韧性和可靠性，避免发生破坏性的脆性断裂，已成为陶瓷材料研究的热点。

作为一种仿生结构设计，层状复合技术是近年来发展起来的增韧新技术。该技术可以使得复合材料的强度与缺陷无关，成为一种耐缺陷材料，受到了国际学界的广泛重视。目前，Al₂O₃层状复合陶瓷的增韧研究主要集中在设计与Al₂O₃基体层组分不同的增韧体层材料即复相陶瓷方向上。按照增韧体层材料的组分可将层状主体结构分为不同种类，包括：①强-弱夹层结构：此类设计是在强度高的Al₂O₃基体层之间引入强度较低的弱薄层(如C、LaPO₄、La₂Ti₂O₇等)，当主裂纹扩展到弱夹层时，裂纹将会在弱结合界面上发生偏转或分叉，从而使其扩展路径增大，在此过程中吸收大量能量使材料断裂过程呈现出“假塑性”的现象，从而明显提高复合陶瓷的断裂韧性。然而，弱增韧体层的引入使得材料通过牺牲强度获得韧性，在其韧性得到改善的同时，材料的整体强度有所降低。现有的报道显示强弱夹层结构其强度均降低18％以上，有些结构甚至降低50％，低至250MPa以下。②强-强夹层结构：此类设计是在高强度的Al₂O₃基体层之间引入高强度的硬质材料层(如ZrO₂、莫来石等)，利用不同层之间物理性质的差异，在层内引入残余应力，抑制或者减缓主裂纹的扩展，通过层接口的作用改变主裂纹的扩展路径并延长其扩展距离，有效地增加材料破坏过程中吸收的能量，使得材料的韧性和强度同时得到提高。强增韧体层的引入基本消除了强-弱夹层陶瓷强度降低的问题，但是其增韧效果相对较差，使得材料韧性和断裂功的提高幅度有限。尤其是断裂功仍然低至300J/m²以下。因此，不管是强-弱夹层结构还是强-强夹层结构均无法使得层状复合陶瓷材料在不降低强度的前提下实现断裂韧性和断裂功的大幅度提高，即无法同时实现高力学性能和高度可靠性的兼顾。

发明内容

本发明是要解决现有结构陶瓷韧性低、基于纯强-弱夹层和纯强-强夹层结构使陶瓷强度降低或增韧效果提升幅度非常有限的问题，而提供一种基于纳米织构增韧的仿生层状氧化铝形貌复合陶瓷材料及其制备方法。