一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的制备方法，首先将无机微/纳米片、无机烧结助剂和有机物溶液按照一定比例混合成一系列分散液浆料，通过特定的溶液铸膜方法将浆料制成一系列具有不同无机组分种类或含量的仿珍珠母层状结构复合薄膜，将所制薄膜按设计需求进行序列排布层叠，然后进行烧结制成多孔陶瓷框架，最后经界面预处理后灌注树脂并固化，得到一系列仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料。本发明专利技术通过本方法可以高效率地实现大尺寸仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的简易制备。并且该方法具有普适性和经济性，可将多种无机纳米/微米片组装成仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料。结构的高性能陶瓷基复合材料。结构的高性能陶瓷基复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合结构材料
，尤其涉及一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]工程领域的快速发展对结构材料提出了越来越高的要求。为了满足复杂工况的应用需求，具有多种优良力学性能组合(如低密度、高强度、刚度、硬度和韧性)的新型结构材料被迫切期望，但是这些力学特性通常是相互排斥的，很难集成到单一材料中。天然生物材料凭借其独特的多尺度微纳结构和界面设计而展现出优异的多种力学性能结合的特点。天然生物材料通过用梯度渐变的界面连接多级次异质层，将具有不同力学特点的异质层组合成结构复杂精细的单个生物结构材料，从而实现多种互斥力学性能的有机结合。通过模仿生物结构，尤其是贝壳珍珠母的层状结构，研究人员发展了多种方法，创制了一系列高力学性能的陶瓷基仿生结构材料。
[0003]然而，当前能够实现的仿生结构仍然较为单一，与生物结构材料的复杂精细结构(比如具有梯度界面的异质结构)相差甚远，因此所实现的材料性能还不能达到理想的水平。现今面临的精细生物结构仿制和材料宏量制备之间的矛盾问题，极大地阻碍了仿生结构材料的发展与应用。

技术实现思路

[0004]1.要解决的技术问题
[0005]本专利技术的目的是为了解决现有技术中仿生结构仍然较为单一，与生物结构材料的复杂精细结构相差甚远的问题，而提出的一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料及其制备方法。
[0006]2.技术方案
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0008]一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：将无机微米/纳米片、无机烧结助剂和有机物溶液按照一定比例混合制备一系列不同组分种类或组分含量分散液浆料；
[0010]步骤2：将步骤1制得的分散液浆料通过特定的溶液铸膜方法制成一系列具有不同无机组分种类或含量的仿珍珠母层状结构复合薄膜；
[0011]步骤3：将步骤2制得的不同复合薄膜按设计需求进行序列排布层叠，然后进行烧结，得到三维连续异质结构多孔陶瓷框架；
[0012]步骤4：将步骤3中得到的多孔陶瓷框架进行界面预处理，接枝硅烷偶联剂；
[0013]步骤5：将步骤4中得到的预处理多孔陶瓷框架用树脂预聚体填充密实，经固化后得到仿生异质结构的陶瓷基复合材料。
[0014]优选地，所述步骤1中，浆料中无机纳米/微米片为各种组分的天然矿物粘土片、氮
化硼、片状玻璃粉和氧化铝微/纳米片中的一种或多种，浓度为10
‑
100mg/mL，其中天然矿物粘土片为云母、高岭土、膨润土、蒙脱土中的一种或多种。
[0015]优选地，所述步骤1中，浆料中无机烧结助剂为二氧化硅、高岭土、二氧化钛、氧化铝中的一种或多种，浓度为1
‑
10mg/mL。
[0016]优选地，所述步骤1中，有机物溶液中的溶剂为水、乙醇、甲醇、丙酮、醋酸、盐酸、甲酸甲酯、乙酸乙酯中的一种或多种。
[0017]优选地，所述步骤1中，浆料中有机物为壳聚糖、海藻酸钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、木质纤维素纳米纤维、细菌纤维素纳米纤维中的一种或多种，浓度为1
‑
40mg/mL。
[0018]优选地，所述步骤2中溶液铸膜方法包括流延成型、真空抽滤、自然蒸发干燥、刷涂辅助蒸发干燥、喷涂辅助蒸发干燥中的一种，温度为20
‑
100℃。
[0019]优选地，所述步骤2中复合薄膜具有仿珍珠母的层状堆砌结构，薄膜厚度为5
‑
500μm。
[0020]优选地，所述步骤3中层叠的复合薄膜可以是不同组分种类或组分含量的复合薄膜，不同薄膜的排布次序可以按照需要自由选择，层叠压力为0
‑
20MPa,温度为20
‑
200℃；烧结步骤温度为600
‑
1600℃，烧结时间为0.1
‑
5h，烧结压力为0
‑
100MPa。
[0021]优选地，所述步骤4中多孔陶瓷框架的界面预处理过程包括食人鱼洗液浸泡和接枝硅烷偶联剂，所用食人鱼洗液浸泡时间为0.5
‑
2h，所用硅烷偶联剂浓度为0.1
‑
5wt％，反应时间为1
‑
5h,反应温度20
‑
100℃。
[0022]优选地，所述步骤5中树脂预聚体为环氧树脂、丙烯酸树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂中的一种或多种，灌注树脂预聚体的方法，选用真空辅助灌注法、热压袋灌注法、等静压法中的一种。
[0023]本专利技术中还提出了一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料，由上述制备方法制得，且所述陶瓷基复合材料的厚度为2
‑
200mm，具有仿珍珠母的层状堆砌结构，厚度方向的不同区域具有不同组分种类或组分含量。
[0024]3.有益效果
[0025]相比于现有技术，本专利技术的优点在于：
[0026](1)本专利技术中，通过本方法可以高效率地实现大尺寸仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的简易制备。并且该方法具有普适性和经济性，可将多种无机纳米/微米片组装成仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料。
[0027](2)本专利技术中，该方法通过调节层叠薄膜的种类、数量和层叠排布次序，达到调节不同异质结构和梯度界面的效果，制备得到的仿生异质结构陶瓷基复合材料可以实现将多种互斥的力学性能结合于一体的效果。
附图说明
[0028]图1为本专利技术中一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的产品照片；
[0029]图2为本专利技术中一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的横截面扫描电子显微镜照片；
[0030]图3为本专利技术中梯度结构陶瓷框架灌注树脂之前的横截面扫描电子显微镜照片；
[0031]图4为本专利技术中交替疏密结构陶瓷框架灌注树脂之前的横截面扫描电子显微镜照
片。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0033]实施例1：
[0034]一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0035]步骤1：将无机微米/纳米片、无机烧结助剂和有机物溶液按照一定比例混合制备一系列不同组分种类或组分含量分散液浆料，浆料中无机纳米/微米片为各种组分的天然矿物粘土片、氮化硼、片状玻璃粉和氧化铝微/纳米片中的一种或多种，浓度为10
‑
100mg/mL，其中天然矿物粘土片为云母、高岭土、膨润土、蒙脱土中的一种或多种；
[0036]浆料中无机烧结助剂为二氧化硅、高岭土、二氧化钛、氧化铝中的一种或多种，浓度为1
‑
10mg/mL，浆料中有机物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将无机微米/纳米片、无机烧结助剂和有机物溶液按照一定比例混合制备一系列不同组分种类或组分含量分散液浆料；步骤2：将步骤1制得的分散液浆料通过特定的溶液铸膜方法制成一系列具有不同无机组分种类或含量的仿珍珠母层状结构复合薄膜；步骤3：将步骤2制得的不同复合薄膜按设计需求进行序列排布层叠，然后进行烧结，得到三维连续异质结构多孔陶瓷框架；步骤4：将步骤3中得到的多孔陶瓷框架进行界面预处理，接枝硅烷偶联剂；步骤5：将步骤4中得到的预处理多孔陶瓷框架用树脂预聚体填充密实，经固化后得到仿生异质结构的陶瓷基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，浆料中无机纳米/微米片为各种组分的天然矿物粘土片、氮化硼、片状玻璃粉和氧化铝微/纳米片中的一种或多种，浓度为10
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100mg/mL，其中天然矿物粘土片为云母、高岭土、膨润土、蒙脱土中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，浆料中无机烧结助剂为二氧化硅、高岭土、二氧化钛、氧化铝中的一种或多种，浓度为1
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10mg/mL。4.根据权利要求1所述的层状纳米孔隙结构的轻质高强隔热陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，有机物溶液中的溶剂为水、乙醇、甲醇、丙酮、醋酸、盐酸、甲酸甲酯、乙酸乙酯中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，浆料中有机物为壳聚糖、海藻酸钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、木质纤维素纳米纤维、细菌纤维素纳米纤维中的一种或多种，浓度为1
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40mg/mL。6.根据权利要求1所述的一种仿生异质结构的高性能陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中溶液铸膜方法包括流延成型...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞书宏，高怀岭，张振邦，庞俊，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：