[发明专利]一种基于纳米尺度梯度结构优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法

说明书

本发明属于材料化学领域，尤其涉及一种基于纳米尺度梯度结构优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法。本发明提供的制备方法包括以下步骤：a)制备具有仿生结构的有序层状混合物框架，所述有序层状混合物框架的成分包括聚合物和纳米增强体；b)将所述有序层状混合物框架置于模具中，然后将含有聚电解质的陶瓷前驱体母液循环注入模具内，注入的所述陶瓷前驱体母液在所述有序层状混合物框架上沉积形成陶瓷片层结构，得到陶瓷基框架；c)将所述陶瓷基框架在聚合物溶液中浸渍，取出后进行热压，得到仿生陶瓷基材料。本发明提供的方法通过控制陶瓷前驱体结晶成核路径，以控制纳米增强体在陶瓷基材料中的分布情况，优化仿生陶瓷材料的各项力学性能。

技术领域

本发明属于材料化学领域，尤其涉及一种基于纳米尺度梯度结构优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法。

背景技术

解决传统陶瓷高强度与高韧性互不兼容问题的一个可靠且有效的途径是引入仿生策略。基于对天然生物结构材料设计原理的理解，人们初步探索了将生物结构材料的微纳米结构设计引入人工陶瓷体系，其结果表明仿生结构化设计策略确实能够有效的改善人工结构陶瓷的力学性能。但是，由于对生物材料中多尺度结构间作用机制缺乏完善的理解，大多数仿生结构陶瓷中只构筑了微米尺度的类珍珠母层状结构，缺少更加精细的纳米尺度结构设计，导致现有仿生结构材料的增韧效率(陶瓷基复合材料的断裂韧性与其主要陶瓷组分本身的断裂韧性之比)非常有限，通常低于10，远远低于天然生物矿物(珍珠母可高达40)。

仿生结构陶瓷的优异性能不仅取决于其较大尺度上的结构特征，也与其更低尺度的结构密切相关。目前已有不少研究开始关注纳米尺度精细结构对仿生结构陶瓷宏观性能影响，并尝试利用精细结构设计来优化仿生结构陶瓷断裂韧性。《科学》期刊2022年第三百六十四卷1260页起，提出了结合激光刻蚀法构建了具备不同形状的基元片的玻璃，利用聚合物作为粘结剂调控界面粘合力，最终层压获得透明的具有类似珍珠母层状结构的玻璃块体。其预先使用激光刻蚀构筑了类似珍珠母Voronoi基元特征，精准调控基元片的长径比，从而使得该玻璃受破坏时可以激活基元滑动机制，大大提升了其断裂韧性；即使在受到动态加载时，也能够有效的实现基元片的滑移耗能，因此该仿珍珠母玻璃的抗冲击性能是普通钢化玻璃的三倍。利用磁场诱导的方法同样能有效的调控陶瓷基元片在特定方向上取向排列，并制备了结构与性能可控的仿珍珠母结构陶瓷，《美国国家科学院院刊》期刊2018年第一百一十五卷12698页定量分析了矿物桥结构对整体陶瓷性能的影响，其利用磁组装法通过进一步的精细结构设计，引入矿物桥结构，并改变烧结温度和压力以调控二氧化钛矿物桥的比例。

综上，在结合微米尺度结构优势的同时引入纳米尺度精细结构的设计，能大幅度的提高材料的力学性能。该策略将改变长期以来人类单纯依赖开发新物质来改善材料性能的这种“试错型”方式，而从多尺度结构设计的角度重新审视新材料研发。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于纳米尺度梯度结构优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法，本发明提供的方法通过控制陶瓷前驱体结晶成核路径，以控制纳米增强体在陶瓷基材料中的分布情况，从而构筑纳米尺度精细结构，优化仿生陶瓷材料的各项力学性能。

本发明提供了一种仿生陶瓷基材料的制备方法，包括以下步骤：

a)制备具有仿生结构的有序层状混合物框架，所述有序层状混合物框架的成分包括聚合物和纳米增强体；

b)将所述有序层状混合物框架置于模具中，然后将含有聚电解质的陶瓷前驱体母液循环注入模具内，注入的所述陶瓷前驱体母液在所述有序层状混合物框架上沉积形成陶瓷片层结构，得到陶瓷基框架；

所述陶瓷基框架中的纳米增强体在陶瓷片层结构边缘区域的分布量大于陶瓷片层结构中心区域；

c)将所述陶瓷基框架在聚合物溶液中浸渍，取出后进行热压，得到仿生陶瓷基材料。