[發明專利]一種自增韌纖維獨石結構陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 201810686037.2
• 申請日: 2018-06-28
• 公開（公告）號: CN108794033B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 張永勝;蘇云峰;宋俊杰;樊恒中;胡麗天
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/10;C04B35/565;C04B35/584;C04B35/48;C04B35/64
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 周瑞華

本發明公開一種自增韌纖維獨石結構陶瓷，該材料由按一維定向方式排布的陶瓷纖維胞體和胞體間相對較薄的界面分隔層組成，其中界面分隔層和纖維胞體為同種陶瓷材料，且界面分隔層陶瓷的晶粒尺寸大于纖維胞體的晶粒尺寸。本發明還公開了該獨石結構陶瓷的制備方法。本發明晶粒較大的界面分隔層起到誘導裂紋發生偏轉、分叉和橫向擴展的同時，還可避免界面層在高溫環境下發生氧化或因熱失配導致的剝離，從而提高材料在高溫環境下長期服役的可靠性。

技術領域

本發明涉及一種自增韌纖維獨石結構陶瓷及其制備方法，屬于結構材料領域，特別是仿生結構材料領域。

背景技術

陶瓷材料具有高熔點、高硬度、耐磨損、抗氧化以及輕質高強等諸多金屬材料和高分子材料所不具備的優異特性，在高溫環境下作為結構材料具有廣泛的應用前景。但是陶瓷材料的本征脆性問題，嚴重地降低了材料的可靠性和穩定性。該領域研究人員經過多年努力發展了多種陶瓷的增韌方法，如，相變增韌、晶須增韌、顆粒彌散增韌以及仿生結構增韌等。

上世紀80年代，Coblenz等人（U.S. Patent 4772524[P]）通過模仿竹木結構提出了纖維獨石結構，纖維狀的胞體按一定方式排布，有相對較薄的胞界面分隔并集合成一個塊體。這種特殊的結構可使材料斷裂時裂紋發生偏轉、增殖、橫向擴展等，進而使裂紋鈍化，從而提高材料的斷裂韌性和斷裂功。Baskaran和清華大學汪長安等人（J. Am. Ceram.Soc., 1993, 76(9): 2209-2216；《高性能多相復合陶瓷》清華大學出版社，pp: 285-351,2008）深入研究了多個體系纖維獨石結構陶瓷的制備方法及斷裂行為，涉及SiC/C、Si₃N₄/BN、Al₂O₃/Ni、TZP/Al₂O₃、Ce-TZP/Ce-TZP-Al₂O₃等體系，表明該結構可顯著提高陶瓷材料的抗斷裂性能和抗熱震性能。

然而長期在高溫環境下服役，這類纖維獨石結構陶瓷存在異質相界面分隔層氧化或纖維胞體和界面分隔層因熱失配使得界面層脫落的問題，從而影響了構件在高溫條件下長期服役的可靠性。

發明內容

為了克服上述缺陷，本發明要解決的技術問題是提供一種具有長期耐高溫抗氧化性能的自增韌纖維獨石結構陶瓷及其制備方法。

一種自增韌纖維獨石結構陶瓷，該陶瓷由按一維定向方式排布的陶瓷纖維胞體和胞體間相對較薄的界面分隔層組成，如圖1所示，其特征在于，界面分隔層與纖維胞體為同種陶瓷材料，形成單一組份的纖維獨石結構陶瓷，且界面分隔層陶瓷的晶粒尺寸要大于纖維胞體的晶粒尺寸，通過晶粒尺寸的差異形成單一組份的纖維獨石結構陶瓷。由于整個材料都是由單一組分的同種陶瓷組成，因此在高溫條件下具有優異的抗氧化性能、可避免因熱失配引發的可靠性差的問題，從而實現長時間在高溫環境下的穩定可靠服役。

上述纖維獨石結構陶瓷的成分可以是Al₂O₃、SiC、Si₃N₄以及ZrO₂等陶瓷材料。

纖維胞體和界面分隔層陶瓷晶粒尺寸的差異是形成自增韌纖維獨石結構的關鍵，差異越大，越有益于界面起到誘導裂紋擴展的效果。因此，其中界面分隔層陶瓷材料的晶粒尺寸最好大于纖維胞體陶瓷晶粒尺寸一個數量級以上。

作為本發明的另一個優選方案，其中纖維胞體直徑為100~1200 μm，界面分隔層的厚度為10~50 μm。

本發明還提供了如上所述自增韌纖維獨石結構陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

1）陶瓷纖維胞體的制備：將細晶陶瓷粉加入到PVA（聚乙烯醇）（聚合度1750±50）水溶液中形成陶瓷漿料，其中PVA作為膠黏劑。然后將混合均勻的陶瓷漿料通過擠制的方法形成陶瓷纖維胞體，且可通過擠出口的內徑控制所得纖維胞體的直徑，擠出的纖維胞體晾干后可用于下一步操作。