[發明專利]仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201811006638.0
• 申請日: 2018-08-31
• 公開（公告）號: CN109180186B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 楊銳;謝曦;崔玉友;賈清;柏春光
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C04B35/56
• 分類號: C04B35/56;C04B35/622
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及MAX相陶瓷基復合材料，具體為一種制備仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料的方法。該方法利用片層狀MAX粉體作為構筑堆砌復合材料的磚塊，利用液體介質晶體生長在溫度梯度的取向性，通過低溫冷凍液體介質來獲得類似天然珍珠外殼中的層狀凝固晶體陶瓷復合結構，然后去除掉介質晶體，獲得連續片層孔洞及片層結構的陶瓷高分子的胚體。加壓燒結過程中，利用高分子聚合物作為碳源原位反應生成片層狀的碳化物。最終獲得納米或微米的MAX相片層構成磚塊，在MAX相片層中間原位生長的碳化物層構成灰泥的仿珍珠層材料的長程有序磚塊?灰泥結構。這種結構如同自然界的生物陶瓷一樣，對外部載荷和裂紋擴展有很高的抗力。

技術領域

本發明涉及MAX相陶瓷基復合材料，具體為一種仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料的制備方法。

背景技術

MAX相陶瓷(如：Ti₃SiC₂、Ti₂AlC、Nb₂AlC等)是一類具有納米三元層狀結構和眾多獨特優異性質的可加工陶瓷，該類材料兼具陶瓷和金屬的性質。如：陶瓷材料的高熔點、抗氧化和抗腐蝕能力、金屬的導電性、可加工性、損傷容抗、抗熱沖擊等性能，納米陶瓷的耐輻射損傷性。由于其獨特的三元納米層狀結構，該類陶瓷的斷裂韌性遠高于普通氧化鋁、碳化硅等工程陶瓷。但是相比較于金屬而言，該類陶瓷的強度和斷裂韌性還遠遠不夠，因此通過生物仿生的方法研發可以提高該陶瓷的強度、斷裂韌性、高溫力學性能的制備方法和技術顯得非常重要。

大自然在億萬年的進化過程中在生物體中形成很多高效合理的材料組分和結構，貝殼類的天然珍珠層材料就是其中之一，該類材料具有獨特的磚-灰結構，它由95％體積份數的片狀碳酸鈣層構成的磚質和5％體積份數構成的灰質組成。雖然組成簡單，但是通過復雜結構的精細組合而具有非常好的綜合性能。該結構導致材料具有優異的力學性能，貝殼類的天然珍珠層能達到普通碳酸鈣的數倍之多。近年來，人們從天然生物研究中得到啟示，在材料設計中引入仿生結構設計理念，通過模仿和移植大自然高效進化形成的材料結構，實現材料的高強、高韌特性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料的制備方法，解決現有MAX相碳化物陶瓷強度和韌性差不具備生物仿生結構等問題。

本發明的技術方案是：

一種仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料的制備方法，利用片層狀MAX粉體作為構筑堆砌復合材料的磚塊，利用液體介質晶體生長在溫度梯度的取向性，通過低溫冷凍液體介質來獲得類似天然珍珠外殼中的層狀凝固晶體陶瓷復合結構，然后去除掉介質晶體，獲得連續片層孔洞及片層結構的陶瓷高分子胚體；對陶瓷高分子胚體進行碳化，利用高分子聚合物作為碳源原位反應生成片層狀的碳化物；對碳化完成的胚體進行加壓燒結，獲得仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料。

所述的仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料的制備方法，片層狀MAX粉體的規格尺寸為厚度0.02～10微米，寬度0.1～50微米，液體介質晶體為水、叔丁醇或莰烯，連續片層孔洞及片層結構的陶瓷高分子胚體的結構是：由高分子聚合物膠連的MAX粉體構成的定向片層狀骨架，MAX粉體片層間由液體介質晶體升華后留下的連續片層孔洞。

所述的仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料的制備方法，陶瓷基復合材料具有仿珍珠層材料的長程有序磚塊-灰泥結構，該結構中納米級或微米級的MAX相片層構成磚塊，在MAX相片層中間原位生長的碳化物層構成灰泥；其中，MAX相片層的規格尺寸為厚度0.02～10微米，寬度0.1～50微米；碳化物層的規格尺寸為厚度0.02～1微米，MAX相片層與碳化物層的重量比例為5～50：1。

所述的仿生珍珠層MAX相碳化物陶瓷基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將納米或者微米片層狀的MAX相粉體、有機膠、分散劑添加進溶劑中，混合均勻形成料漿，混合方法為超聲波分散、機械攪拌或球磨混合；