[發明專利]一種對稱層狀梯度復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010714711.0
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN112047741A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 陳斐;古星;徐麗;賈明勇;吳玥奇;沈強;李慧;薛晴
• 申請（專利權）人: 全球能源互聯網研究院有限公司;武漢理工大學
• 主分類號: C04B35/584
• 分類號: C04B35/584;C04B35/622;C04B35/645;C04B37/02;H01M2/08
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

本發明涉及一種對稱層狀梯度復合材料及其制備方法和應用，其中，所述方法采用等離子活化燒結工藝制備鉬/氮化硅/鉬對稱層狀梯度復合材料，通過溫度場、電場以及壓力場的耦合作用，實現了燒結前對粉體顆粒的活化作用，進而在較低燒結溫度以及較短燒結時間內完成了梯度復合材料的制備，結合等離子活化燒結方法以及梯度復合材料的梯度化最終快速制得了致密度高、雜質含量少、界面結合好的鉬/氮化硅/鉬對稱層狀梯度復合材料。

技術領域

本發明屬于陶瓷基復合材料制備技術領域，具體涉及一種對稱層狀梯度復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

現階段，Si₃N₄是當今工程結構新材料中的重要組成部分，具有抗氧化、耐高溫、耐腐蝕等特性，但這種陶瓷材料硬而脆，難以進行機械加工，因而難以制造成復雜形狀構件，像Si₃N₄這樣高硬度、耐高溫的特殊材料，只有與其它材料(尤其是金屬材料)連接才能制造出能滿足工程需要的構件，幾十年來，人們已研究了多種連接方法，常用的包括：活性金屬法、熱壓擴散連接法、過渡液相連接法、反應形成連接法等等。

密封技術被廣泛應用于航空航天、核能發電等高新技術領域，以及石油、化工等基礎性產業領域，許多機器設備的研發就取決于密封技術，它直接決定了機器設備運行的安全性、可靠性以及耐久性；目前，我國的密封技術水平遠遠滿足不了生產發展的需要，某些關鍵場合的泄露問題還沒有得到徹底解決，所以密封技術有待進一步深入研究。

目前各行業高溫密封技術主要包括機械零件之間密封結構設計，有機/無機材料墊圈、密封膠，金屬/陶瓷焊接密封，柔性石墨技術等。高溫密封技術對高溫電池至關重要，良好的密封技術可以保證電池儲能質量，避免空氣、水對電池關鍵活性材料的消耗，延長電池使用壽命，降低電池運行成本。Si₃N₄陶瓷由于其良好的高溫穩定性、密封絕緣性、耐腐蝕性等性能，是該高溫儲能系統長效密封絕緣的理想材料。然而，基于傳統技術完成的Si₃N₄陶瓷表面金屬化會存在明顯陶瓷/金屬相界面無法實現該儲能技術嚴苛服役環境下長效密封，急需開展新型氮化物陶瓷表面金屬化技術的研究。

功能梯度材料是一類組成、結構及性能呈規律性漸變的功能材料，具有很強的可設計性及在極端環境下服役的優勢?！疤荻葟秃稀备拍畹奶岢黾捌溲芯拷Y果表明：它為人類尋找在高溫、大溫度梯度、大機械載荷等極端嚴苛服役環境下能正常工作的材料，提供了另一重要途徑。通過陶瓷/金屬梯度復合構成的材料，由于內部界面消失以及避免了結合部位物性不匹配的因素，使得材料不僅能承受極高溫度和巨大機械負荷，同時能夠在頻繁的熱沖擊與極大溫差負荷環境下長期反復工作。

由此可見，從“梯度復合”的概念和思想出發，通過Si₃N₄陶瓷表面金屬梯度化結構設計，使得各基元在空間連續梯度分布，內部界面消失，緩和因原材料間熱膨脹系數差異而產生的熱應力，可實現陶瓷/金屬有效連接，顯著提高梯度密封材料穩定性以及高溫儲能系統壽命。

發明內容

為了解決上述瓶頸問題，本發明的目的在于提供一種對稱層狀梯度復合材料及其制備方法和應用，該方法具有升溫速率快、燒結溫度低、保溫時間短的優點，經該方法能夠快速制備出界面結合緊密、致密度高的對稱層狀梯度復合材料。

本發明提供一種對稱層狀梯度復合材料，制備所述復合材料的原料包括微米級陶瓷Si₃N₄和Mo；

所述復合材料為疊層結構；將所述Si₃N₄作為中間層，在所述Si₃N₄上、下兩端分別設置具有相同質量分數的Si₃N₄和Mo層。

優選的，所述包括以下步驟：