[发明专利]一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料

说明书

本发明提供了一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料，该发明预先制备具有择优取向的微纳铝片基元，与片状陶瓷基元均匀混合，在致密化的过程中，二者片状基元在重力和外力的双重作用下以砖砌的方式交互堆叠，经过进一步加工变形可得到一种类砖砌式仿生陶瓷增强铝基复合材料。其中，铝片与陶瓷片的厚度只有数百纳米，从结构与尺度上均有效的模仿了珍珠层结构。这种类砖砌式仿生复合材料的基体呈现超细晶层状结构，而且片状陶瓷片也能够有效的阻碍裂纹的扩展，从而在充分发挥超细晶强化和裂纹的偏转的双重机制情况下保持高强塑性匹配。本发明制备出的陶瓷增强铝基复合材料成本低，适用范围广，并且具有较高的综合力学性能。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料领域，具体地，涉及一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料。

背景技术

自然界许多生物材料经过长期的演化，其结构与性能已达到了近乎完美的程度，如多级层板结构的骨头、梯度层状结构的竹子、以及叠层结构的贝壳珍珠层。目前为止，贝壳的珍珠层是目前最热的结构仿生对象，这是由于它以碳酸钙(～95vol.％)纳米薄片(厚～500nm)为“砖”，以有机质(～5vol.％，厚～30nm)为“泥”，自组装而成的“砖-泥”叠层结构，不但没有牺牲贝壳整体的强度，还在塑韧性方面得到了巨大的提升，得到了非常优异的强度和塑韧性的综合性能。因此贝壳珍珠母层成为了国内外众多仿生与实现材料强韧化研究者的研究模板，使复合材料向着更加优异综合性能的方向发展。这种理念很快在各种陶瓷基复合材料和树脂基复合材料中得到了验证和应用，然而金属基复合材料因为缺乏合适的制备的技术，即使因为强度和塑韧性不匹配的原因急需利用仿贝壳的叠层结构优化来实现各种现实情况中的应用，但是发展仍很受限，相关的研究也十分有限。

国内外也初步发展了几种仿贝壳珍珠层金属基复合材料的制备方法，其中主要包括：加州大学Ritchie小组(“A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic–metal composites”Journal of the royal society interface,7(2010)741-753)采用“冰冻铸造法”，利用陶瓷浆料的定向凝固制备Al₂O₃层状骨架，然后再向其中浸渗Al-Si共晶合金获得了包含层间无机桥联的Al₂O₃/Al-Si叠层复合材料。然而，从贝壳的内部结构中观察到纳米晶/超细晶(如珍珠母中矿物质层间距～500nm)是强韧化特征的重要因素。而冰冻铸造法所制备的复合材料中层厚最低降到10微米以上，但仍然比珍珠层的真实厚度高出几十倍，并未得到最优的强韧性匹配。

对现有的文献及发明检索发现，还没有类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料的研究。

此外，在文献[“Bioinspired,graphene-enabled Ni composites with highstrength and toughness”science advances,5(2019)eaav5577]中，Zhang等人通过原位反应与后期的热变形方式获得一种类“砖-灰”结构的镍基复合材料，它的综合力学性能得到大大地提高。然而，它的工艺复杂，周期长，通过原位反应获得砖状增强体的含量具有很大的不确定性。

通过对现有专利文献的检索发现，CN201710570994公开了一种高体份陶瓷-金属层状复合材料及其制备方法，其涉及的制备方法仍属于前述的冰冻铸造法，其层状厚度仍大于5μm，尽管它从结构上模拟了贝壳的砖-灰状结构，但是实际并未达到贝壳珍珠层的尺度。

发明内容

本发明的目的是提供一种类砖砌式仿生复合制备陶瓷增强铝基复合材料，将陶瓷增强体与基体分别以类似于“砖”结构为基元交互堆叠，不仅从“砖-灰”状的结构上，而且从尺度(500nm)上有效地模仿了贝壳珍珠层结构，其综合力学性能较常规陶瓷增强铝基复合材料显著提高。本发明的制备方法省时节能，在降低制备成本的同时改善复合材料的综合力学性能，具有巨大的规模化应用潜力。