一种自增韧纤维独石结构陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种自增韧纤维独石结构陶瓷，该材料由按一维定向方式排布的陶瓷纤维胞体和胞体间相对较薄的界面分隔层组成，其中界面分隔层和纤维胞体为同种陶瓷材料，且界面分隔层陶瓷的晶粒尺寸大于纤维胞体的晶粒尺寸。本发明专利技术还公开了该独石结构陶瓷的制备方法。本发明专利技术晶粒较大的界面分隔层起到诱导裂纹发生偏转、分叉和横向扩展的同时，还可避免界面层在高温环境下发生氧化或因热失配导致的剥离，从而提高材料在高温环境下长期服役的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种自增韧纤维独石结构陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种自增韧纤维独石结构陶瓷及其制备方法，属于结构材料领域，特别是仿生结构材料领域。
技术介绍
陶瓷材料具有高熔点、高硬度、耐磨损、抗氧化以及轻质高强等诸多金属材料和高分子材料所不具备的优异特性，在高温环境下作为结构材料具有广泛的应用前景。但是陶瓷材料的本征脆性问题，严重地降低了材料的可靠性和稳定性。该领域研究人员经过多年努力发展了多种陶瓷的增韧方法，如，相变增韧、晶须增韧、颗粒弥散增韧以及仿生结构增韧等。上世纪80年代，Coblenz等人（U.S.Patent4772524[P]）通过模仿竹木结构提出了纤维独石结构，纤维状的胞体按一定方式排布，有相对较薄的胞界面分隔并集合成一个块体。这种特殊的结构可使材料断裂时裂纹发生偏转、增殖、横向扩展等，进而使裂纹钝化，从而提高材料的断裂韧性和断裂功。Baskaran和清华大学汪长安等人（J.Am.Ceram.Soc.,1993,76(9):2209-2216；《高性能多相复合陶瓷》清华大学出版社，pp:285-351,2008）深入研究了多个体系纤维独石结构陶瓷的制备方法及断裂行为，涉及SiC/C、Si3N4/BN、Al2O3/Ni、TZP/Al2O3、Ce-TZP/Ce-TZP-Al2O3等体系，表明该结构可显著提高陶瓷材料的抗断裂性能和抗热震性能。然而长期在高温环境下服役，这类纤维独石结构陶瓷存在异质相界面分隔层氧化或纤维胞体和界面分隔层因热失配使得界面层脱落的问题，从而影响了构件在高温条件下长期服役的可靠性。
技术实现思路
为了克服上述缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供一种具有长期耐高温抗氧化性能的自增韧纤维独石结构陶瓷及其制备方法。一种自增韧纤维独石结构陶瓷，该陶瓷由按一维定向方式排布的陶瓷纤维胞体和胞体间相对较薄的界面分隔层组成，如图1所示，其特征在于，界面分隔层与纤维胞体为同种陶瓷材料，形成单一组份的纤维独石结构陶瓷，且界面分隔层陶瓷的晶粒尺寸要大于纤维胞体的晶粒尺寸，通过晶粒尺寸的差异形成单一组份的纤维独石结构陶瓷。由于整个材料都是由单一组分的同种陶瓷组成，因此在高温条件下具有优异的抗氧化性能、可避免因热失配引发的可靠性差的问题，从而实现长时间在高温环境下的稳定可靠服役。上述纤维独石结构陶瓷的成分可以是Al2O3、SiC、Si3N4以及ZrO2等陶瓷材料。纤维胞体和界面分隔层陶瓷晶粒尺寸的差异是形成自增韧纤维独石结构的关键，差异越大，越有益于界面起到诱导裂纹扩展的效果。因此，其中界面分隔层陶瓷材料的晶粒尺寸最好大于纤维胞体陶瓷晶粒尺寸一个数量级以上。作为本专利技术的另一个优选方案，其中纤维胞体直径为100~1200μm，界面分隔层的厚度为10~50μm。本专利技术还提供了如上所述自增韧纤维独石结构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1）陶瓷纤维胞体的制备：将细晶陶瓷粉加入到PVA（聚乙烯醇）（聚合度1750±50）水溶液中形成陶瓷浆料，其中PVA作为胶黏剂。然后将混合均匀的陶瓷浆料通过挤制的方法形成陶瓷纤维胞体，且可通过挤出口的内径控制所得纤维胞体的直径，挤出的纤维胞体晾干后可用于下一步操作。2）界面分隔层的制备：采用与步骤1）相同物相的粗晶陶瓷粉分散在PVA水溶液中，得到界面分隔层浆料，其中陶瓷粉与PVA的质量比为99:1。再将陶瓷纤维胞体通过浸蘸的方法在陶瓷纤维胞体表面附着相同物相的界面分隔层。可通过浆料固相含量和浸蘸次数控制界面分隔层的厚度。3）坯体的成型：将干燥后含有界面分隔层的陶瓷纤维胞体在钢模具中按一维定向排布，然后加压180~250MPa成型，保压3~10min，脱模后得到自增韧纤维独石结构陶瓷的坯体。4）排胶与烧结：将所得坯体在真空炉中500℃排胶1h后，采用SPS（放电等离子烧结）烧结5-10min，压力为25~30MPa，冷却脱模后得到所制备自增韧纤维独石结构陶瓷。烧结温度通过所选陶瓷致密化温度来确定。所述步骤1）中优选PVA水溶液的质量浓度为2%，浆料固相含量质量分数为50%。所述步骤2）中陶瓷晶粒尺寸比步骤1）中陶瓷晶粒尺寸大一个数量级以上，且步骤1）陶瓷晶粒尺寸小于500nm。本专利技术的优点是：本专利技术所述自增韧纤维独石结构陶瓷中纤维胞体和界面分隔层采用同种陶瓷材料，其区别仅为晶粒尺寸不同。因此界面起到诱导裂纹横向扩展的同时，还可避免界面层在高温环境下发生氧化或因热失配导致的剥离，从而提高材料在高温环境下服役的可靠性。附图说明图1本专利技术所述自增韧纤维独石结构陶瓷的示意图。图2本专利技术实施例1的显微照片。图3本专利技术实施例1界面分隔层和纤维胞体局部放大的显微照片。图中：1、陶瓷纤维胞体；2、陶瓷界面分隔层。具体实施方式下面将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，所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1将纳米Al2O3粉（80~200nm）加入质量浓度为2%的PVA水溶液中形成Al2O3浆料，其中PVA作为胶黏剂，浆料的固相含量质量分数为50%。然后将混合均匀的Al2O3浆料通过挤制的方法挤出直径为800μm的Al2O3纤维胞体。将微米Al2O3粉（1~3μm）粉分散在水中，并加入PVA作为粘结剂，再将纳米Al2O3纤维胞体通过浸蘸的方法在Al2O3纤维胞体表面附着微米Al2O3界面层。经过一维定向排布、干压成型得到该材料的坯体，成型压力为180MPa。经排胶后采用SPS烧结的方法在1250℃下烧结5min，压力为25MPa，成功制备了自增韧纤维独石结构Al2O3陶瓷。虽然陶瓷烧结过程中都有晶粒长大的现象，但通过控制粉体初始粒径便可实现烧结后晶粒尺寸的差异，从而形成预先设计的纤维独石结构。所制备的自增韧纤维独石结构Al2O3陶瓷垂直于纤维轴向截面的微观形貌如图2所示。进一步，界面分隔层和纤维胞体局部放大的微观结构照片如图3所示。该材料断裂韧性可达8.0MPa·m1/2，是单相Al2O3的两倍以上，在高温有氧环境下长时间具有优异的抗氧化性能，极大提高了高温服役的可靠性。实施例2基于同样的设计思路和制备方法，分别以SiC、Si3N4和ZrO2为原料成功制备了不同种类不同结构参数的自增韧纤维独石结构陶瓷。选用直径为100μm、300μm、500μm以及1200μm的纤维胞体，厚度为10μm、30μm和50μm的界面分隔层制备自增韧纤维独石结构陶瓷。由于这类自增韧纤维独石结构陶瓷界面分隔层和纤维胞体均是同种陶瓷材料，利用粗晶界面分隔层在实现了诱导裂纹发生偏转、增殖和横向扩展等来提高材料的抗断裂性能，断裂韧性可达10MPa·m1/2以上。还可解决异质相界面分隔层氧化或纤维胞体和界面分隔层因热失配使得界面层脱落的问题，从而提高了材料在高温条件下的服役可靠性。在1000℃有氧环境热处理5h后，材料界面层无开裂现象，且断裂韧性的保持率可达90%以上。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自增韧纤维独石结构陶瓷，该陶瓷由按一维定向方式排布的陶瓷纤维胞体和胞体间相对较薄的界面分隔层组成，其特征在于所述界面分隔层和纤维胞体为同种陶瓷材料，且界面分隔层陶瓷的晶粒尺寸大于纤维胞体的晶粒尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种自增韧纤维独石结构陶瓷，该陶瓷由按一维定向方式排布的陶瓷纤维胞体和胞体间相对较薄的界面分隔层组成，其特征在于所述界面分隔层和纤维胞体为同种陶瓷材料，且界面分隔层陶瓷的晶粒尺寸大于纤维胞体的晶粒尺寸。2.如权利要求1所述的自增韧纤维独石结构陶瓷，其特征在于所述纤维胞体和界面分隔层均为Al2O3、SiC、Si3N4和ZrO2中的一种。3.如权利要求1所述的自增韧纤维独石结构陶瓷，其特征在于所述界面分隔层陶瓷的晶粒尺寸要大于纤维胞体陶瓷晶粒尺寸一个数量级以上。4.如权利要求1所述的自增韧纤维独石结构陶瓷，其特征在于所述纤维胞体的直径为100~1200μm，界面分隔层的厚度为10~50μm。5.一种制备权利要求1至4任一项所述的自增韧纤维独石结构陶瓷的方法，包括以下步骤：1）陶瓷纤维胞体的制备：将细晶陶瓷粉加入到PVA水溶液中形成陶瓷浆料，然后将混合均匀的陶瓷浆料通过挤制的方法形成陶瓷纤维胞体；2）界面分隔层的制备：采用与步骤1）相同物相的粗晶陶瓷粉分散在PVA水溶液中，得到界面分隔层浆料，再将...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永胜，苏云峰，宋俊杰，樊恒中，胡丽天，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62