[發明專利]一種類磚砌式仿生復合制備陶瓷增強鋁基復合材料

有效

• 申請號: 202110505604.1
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113234952B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 范根蓮;張志明;李志強;譚占秋;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;B22F9/04;C22C1/10;B22F1/068;B22F1/14;C22C21/00;C22C32/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種類磚砌式仿生復合制備陶瓷增強鋁基復合材料，該發明預先制備具有擇優取向的微納鋁片基元，與片狀陶瓷基元均勻混合，在致密化的過程中，二者片狀基元在重力和外力的雙重作用下以磚砌的方式交互堆疊，經過進一步加工變形可得到一種類磚砌式仿生陶瓷增強鋁基復合材料。其中，鋁片與陶瓷片的厚度只有數百納米，從結構與尺度上均有效的模仿了珍珠層結構。這種類磚砌式仿生復合材料的基體呈現超細晶層狀結構，而且片狀陶瓷片也能夠有效的阻礙裂紋的擴展，從而在充分發揮超細晶強化和裂紋的偏轉的雙重機制情況下保持高強塑性匹配。本發明制備出的陶瓷增強鋁基復合材料成本低，適用范圍廣，并且具有較高的綜合力學性能。

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料領域，具體地，涉及一種類磚砌式仿生復合制備陶瓷增強鋁基復合材料。

背景技術

自然界許多生物材料經過長期的演化，其結構與性能已達到了近乎完美的程度，如多級層板結構的骨頭、梯度層狀結構的竹子、以及疊層結構的貝殼珍珠層。目前為止，貝殼的珍珠層是目前最熱的結構仿生對象，這是由于它以碳酸鈣(～95vol.％)納米薄片(厚～500nm)為“磚”，以有機質(～5vol.％，厚～30nm)為“泥”，自組裝而成的“磚-泥”疊層結構，不但沒有犧牲貝殼整體的強度，還在塑韌性方面得到了巨大的提升，得到了非常優異的強度和塑韌性的綜合性能。因此貝殼珍珠母層成為了國內外眾多仿生與實現材料強韌化研究者的研究模板，使復合材料向著更加優異綜合性能的方向發展。這種理念很快在各種陶瓷基復合材料和樹脂基復合材料中得到了驗證和應用，然而金屬基復合材料因為缺乏合適的制備的技術，即使因為強度和塑韌性不匹配的原因急需利用仿貝殼的疊層結構優化來實現各種現實情況中的應用，但是發展仍很受限，相關的研究也十分有限。

國內外也初步發展了幾種仿貝殼珍珠層金屬基復合材料的制備方法，其中主要包括：加州大學Ritchie小組(“A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic–metal composites”Journal of the royal society interface,7(2010)741-753)采用“冰凍鑄造法”，利用陶瓷漿料的定向凝固制備Al₂O₃層狀骨架，然后再向其中浸滲Al-Si共晶合金獲得了包含層間無機橋聯的Al₂O₃/Al-Si疊層復合材料。然而，從貝殼的內部結構中觀察到納米晶/超細晶(如珍珠母中礦物質層間距～500nm)是強韌化特征的重要因素。而冰凍鑄造法所制備的復合材料中層厚最低降到10微米以上，但仍然比珍珠層的真實厚度高出幾十倍，并未得到最優的強韌性匹配。

對現有的文獻及發明檢索發現，還沒有類磚砌式仿生復合制備陶瓷增強鋁基復合材料的研究。

此外，在文獻[“Bioinspired,graphene-enabled Ni composites with highstrength and toughness”science advances,5(2019)eaav5577]中，Zhang等人通過原位反應與后期的熱變形方式獲得一種類“磚-灰”結構的鎳基復合材料，它的綜合力學性能得到大大地提高。然而，它的工藝復雜，周期長，通過原位反應獲得磚狀增強體的含量具有很大的不確定性。

通過對現有專利文獻的檢索發現，CN201710570994公開了一種高體份陶瓷-金屬層狀復合材料及其制備方法，其涉及的制備方法仍屬于前述的冰凍鑄造法，其層狀厚度仍大于5μm，盡管它從結構上模擬了貝殼的磚-灰狀結構，但是實際并未達到貝殼珍珠層的尺度。

發明內容

本發明的目的是提供一種類磚砌式仿生復合制備陶瓷增強鋁基復合材料，將陶瓷增強體與基體分別以類似于“磚”結構為基元交互堆疊，不僅從“磚-灰”狀的結構上，而且從尺度(500nm)上有效地模仿了貝殼珍珠層結構，其綜合力學性能較常規陶瓷增強鋁基復合材料顯著提高。本發明的制備方法省時節能，在降低制備成本的同時改善復合材料的綜合力學性能，具有巨大的規模化應用潛力。