[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

说明书

本发明公开了一种仿贝壳砖泥结构高体份陶瓷‑金属复合材料及其制备方法，属于仿生复合材料技术领域，本发明通过在冷冻铸造法的陶瓷浆料定向凝固阶段，诱导凝固前沿水分子横向二次结晶，将纵向连续的陶瓷层分割为间断的陶瓷块，简便的实现了陶瓷层从连续的层状到间断的砖泥结构的变化；通过在浸渗阶段引入反应转化的思想将过多的软相转化为硬相，解决了冷冻铸造法制备的复合材料中硬相含量过低的问题；并通过调控界面反应提高浸渗质量，解决了界面结合弱以及存在残留孔洞等浸渗缺陷的问题。最终制备出硬相体积分数高达50vol.％～90vol.％的仿贝壳砖泥结构的陶瓷‑金属复合材料，趋近了贝壳的结构特征。

技术领域

本发明涉及一种仿贝壳砖泥结构的高体份陶瓷-金属复合材料及其制备方法，属于仿生复合材料技术领域。

背景技术

天然生物材料贝壳由于其优异的强韧性能受到人们的广泛关注和研究。贝壳独特的多尺度复杂精细的“砖-泥”结构赋予了它远超其组分的强韧性能。贝壳由95vol.％的文石小片(主要成分为CaCO₃)和5vol.％的有机质组成。硬相文石小片，即“砖”，是贝壳材料结构和强度的主要载体；而少量的有机质，即软相“泥”，主要起润滑的作用；相邻的“砖”层之间往往由陶瓷桥连接。贝壳的这种基于结构的强韧机制为克服陶瓷材料的固有脆性，开发高强韧的陶瓷增强复合材料提供了灵感。而相比于以有机物作为软相，金属材料如铝合金无疑具有更好的强韧性和耐高温性。因此，以金属材料作为韧性层，仿照贝壳的“砖-泥”结构来制备高体份陶瓷-金属层状复合材料将具有更好的强韧化效果，且适用于更广泛的应用领域。

近年来，冷冻铸造法(冰模板法)已发展成为制备具有仿贝壳结构的大尺度工程材料的一种有效方法。它是指将均匀分散的陶瓷浆料经定向凝固、冷冻干燥和烧结后获得多孔层状陶瓷骨架的一种制备技术。通过控制凝固动力学，使用添加剂，改变浆料理化性质等方法可以容易地调控陶瓷骨架的精细结构。结合浸渗工艺，向该多孔陶瓷坯体中填充有机物或金属等软相就可以获得软硬相相间的层状复合材料。整个制备过程简单，经济，环保，在仿贝壳材料的制备中被众多学者广泛应用。中国专利申请号为CN201410072030.3，公开号为CN103895285A，发明创造名称为“高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法”，公开了采用冷冻铸造结合无压浸渗工艺成功制备出高强度Al-Si-Mg/(Al₂O₃、SiC、TiC)层状复合材料。中国专利申请号为CN201710806238，公开号为CN107522475A，发明创造名称为“一种仿贝壳陶瓷基复合材料及其制备方法”，公开了采用冰模板法和液相浸渗技术制备了陶瓷层和第二相层交替的复合材料。但上述两种结构特征实质上是层状结构，和贝壳的“砖-泥”结构是有明显区别的。结构的不同导致的强韧化机制是完全不同的。这样的结构无法充分发挥贝壳的增韧潜力。另外，由于陶瓷浆料粘度和分散性的影响，常规冷冻铸造法制备的复合材料中陶瓷含量通常不超过40vol.％，远远低于贝壳珍珠层的95vol.％。过多的软相不仅会导致强度的降低，也不利于贝壳珍珠层强韧机制的模拟。所以如何构造贝壳的“砖-泥”结构并提高硬相含量成为了冷冻铸造法制备仿贝壳材料研究的主要关键点。中国专利申请号为CN201710570994，公开号为CN107326211A，发明创造名称为“一种高体份陶瓷-金属层状复合材料及其制备方法”，公开了采用冷冻铸造结合压力浸渗工艺成功制备出层状陶瓷-金属层状复合材料。之后采用热压工艺处理，减少了金属相含量，并将陶瓷层打断，得到了陶瓷体积分数高达70～90vol.％的“砖-泥”结构陶瓷金属复合材料。中国专利申请号为CN201510878832，公开号为CN105385875B，发明创造名称为“一种仿贝壳珍珠层的镁基复合材料及其制备方法”，采用冰模板法，压力浸渗法和叠层热压法烧结制备了仿贝壳珍珠层的镁基复合材料。然而这些方法工艺繁琐复杂，不易控制。在压力浸渗阶段，由于陶瓷和金属普遍差的润湿性，界面结合较弱，容易残留空洞等浸渗缺陷；在热压阶段又容易破坏材料的结构，难以实现规模化的生产。

发明内容