[发明专利]仿贝壳砖泥结构高体份陶瓷-金属复合材料及其制备方法

权利要求书

1.仿贝壳砖泥结构高体份陶瓷-金属复合材料，其特征在于，所述仿贝壳砖泥结构高体份陶瓷-金属复合材料的硬相和软相相间排列，金属将陶瓷层分隔开形成陶瓷块，且陶瓷块的纵横比调控范围为0.2～20，进而形成陶瓷层横向和纵向均不连续的砖泥结构，硬相成分是由陶瓷材料以及陶瓷材料与金属反应生成的产物组成，硬相体积分数达到50vol.％～90vol.％，相邻的陶瓷层由陶瓷材料与金属反应生成的产物桥连接。

2.根据权利要求1所述的仿贝壳砖泥结构高体份陶瓷-金属复合材料，其特征在于：所述陶瓷材料为SiO₂、TiO₂、CuO、ZrO₂和BN中的一种或多种，陶瓷材料的粉体颗粒直径为20nm～700nm；所述金属为纯Al或Al合金的一种。

3.根据权利要求1或2所述的仿贝壳砖泥结构高体份陶瓷-金属复合材料，其特征在于：所述陶瓷材料与金属反应生成的产物成分为Al₂O₃、AlN、Si、Al₃Ti、Al₂Cu、Al₃Zr和AlB₂中的一种或多种。

4.一种制备权利要求3所述的仿贝壳砖泥结构高体份陶瓷-金属复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将纳米陶瓷粉体和去离子水按比例均匀混合，并加入分散剂和粘结剂，然后球磨8h～12h并真空除泡20min，得到均匀分散的水基陶瓷浆料；

其中：按体积百分比计，纳米陶瓷粉体和去离子水的配比为：70％～85％纳米陶瓷粉体，30％～15％去离子水，且纳米陶瓷粉体和去离子水的体积百分比之和为100％；按质量百分比计，分散剂和粘结剂的加入量均占所述纳米陶瓷粉体的0.5％～1.5％；

第二步，将水基陶瓷浆料注入到聚四氟乙烯模具中，利用液氮和加热装置控制设置在模具底部的铜棒温度，冷冻温度调控范围为-10℃～-40℃，使冰晶沿温度梯度的方向定向凝固，将陶瓷颗粒排挤到冰晶的间隙中，形成定向排列的连续陶瓷层；利用冰晶前沿凝固速率和纳米陶瓷颗粒布朗运动的耦合效应致使冰晶前沿局部成分过冷，从而使凝固前沿周期性的出现横向温度梯度，诱导水分子在横向方向上二次形核和长大，从而将纵向连续的陶瓷层分割为间断的块状结构，最终得到冰层和陶瓷层间隔排列，且陶瓷层不连续的砖泥结构预制坯；

第三步，将预制坯放入冷冻干燥机内进行真空冷冻干燥，使预制坯内的冰晶升华去除，得到多孔陶瓷骨架；

第四步，将冷冻干燥得到的多孔陶瓷骨架在空气或氩气气氛下高温烧结，去除分散剂和粘结剂；

第五步，采用真空-气体压力浸渗法将熔融金属液浸渗到所述多孔陶瓷骨架中；在浸渗过程中，金属液和原始陶瓷层发生原位反应，金属被逐步消耗并转化为增强相，最终形成仿贝壳砖泥结构高体份陶瓷-金属复合材料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述分散剂为聚甲基丙烯酸钠或羧甲基纤维素钠。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述粘结剂为聚乙烯醇。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述真空冷冻干燥工艺为：温度-50℃，真空度10Pa，干燥时间48h～72h。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述高温烧结过程为：以2.5℃/min的速度加热到500℃，保温30min以除去有机物，然后以5℃/min加热到预定烧结温度800℃～1550℃，保温2h，之后以5℃/min降至室温。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述真空-气体压力浸渗工艺参数为：常温下浸渗炉抽真空至10Pa后，以5℃/min加热至750℃～850℃，保温10min～20min待金属熔化，然后向真空炉内通入高纯氩气至2MPa～3MPa，保温保压3min～5min，然后以5℃/min降温至室温。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在原位反应过程中，软相金属Al或Al合金逐步转化为Al₃Ti、Al₂Cu、Al₃Zr和AlB₂中的一种或多种增强相；陶瓷层SiO₂、TiO₂、CuO、ZrO₂和BN则转变为Al₂O₃或AlN，并能保持其不连续的层状结构。