一种超韧层状聚合物-陶瓷复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种超韧层状聚合物‑陶瓷复合材料及其制备方法。该方法包括：将Al2O3陶瓷粉末、水混合，球磨，制得陶瓷浆料；对陶瓷浆料进行真空除气，将陶瓷浆料进行定向凝固，制得陶瓷坯体；将陶瓷坯体冷冻干燥，制得具有层状孔的陶瓷生坯；将具有层状孔的陶瓷生坯在氮气中烧结，升温，保温，降至室温，制得致密的层状孔陶瓷坯体；向致密的层状孔陶瓷坯体中加入甲基丙烯酸甲酯和偶氮二异丁腈，在水浴中加热，得到聚合物；将聚合物冷却进行反应，得到层状聚合物‑陶瓷复合材料。本发明专利技术还提供了上述制备方法得到的超韧层状聚合物‑陶瓷复合材料。

An ultra tough layered polymer ceramic composite material and preparation method thereof

The invention provides a Supertough polymer layered ceramic composite material and preparation method thereof. The method comprises: Al2O3 ceramic powder, water mixing, milling, preparation of ceramic slurry; vacuum degassing of ceramic slurry, the ceramic slurry for directional solidification, prepared ceramic body; the ceramic body freeze drying, green ceramic prepared with layered porous ceramic green; having layer hole in in nitrogen sintering, heating, insulation, cooling to the room temperature, layered porous ceramic body prepared compact; methyl methacrylate and azo isobutyronitrile to two layered porous ceramic body compact, heating in a water bath to obtain polymer; cooling the polymer was obtained layered polymer ceramic composite material. The invention also provides a preparation method of the super tough layered polymer ceramic composite material.

【技术实现步骤摘要】
一种超韧层状聚合物-陶瓷复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种复合材料及其制备方法，尤其涉及一种具有超韧性的层状聚合物-陶瓷复合材料及其制备方法，属于材料制备

技术介绍
陶瓷材料作为强度高、硬度大、耐磨性好、耐腐蚀性好、性能稳定的工程材料，在航空航天、机械电子、医学工程等领域扮演着十分重要的角色。但其一突出的缺点就是断裂韧性很低，即对微裂纹和微缺陷十分敏感，这严重地制约了其在工程领域的应用。现有的陶瓷基复合材料的制备方法有：1、料浆浸渍和热压烧结法，用浸渍工艺将连续纤维和可烧结的基体原料粉末制成坯体，再在高温下加热烧结，使纤维和基体材料结合成复合材料。但是该方法在加工操作过程中，纤维容易受到损伤和破坏，而且烧结会导致陶瓷基体收缩，从而烧结材料易产生缺陷或内应力。2、直接氧化沉积法，利用熔融金属直接与氧化剂发生氧化反应而制备陶瓷基复合材料的工艺方法。此法的缺点是残余金属很难完全被氧化或除去，且难以加工复杂部件。3、溶胶-凝胶法，即用有机先驱体制成的溶胶浸渍纤维预制体，然后水解、缩聚，形成凝胶，凝胶经干燥和热解后形成复合材料。此法制成的复合材料致密性差，不适合部分非氧化物陶瓷基复合材料的制备。4、聚合物先驱体热解法，即以高分子聚合物为先驱体成型后使高分子先驱体发生热解反应转化为无机物质，然后再经高温烧结制备成陶瓷基复合材料。此法的缺点是在烧结时会产生较大的收缩，收率较低。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，克服现有陶瓷材料中存在的断裂韧性低等问题，本专利技术的目的在于提供一种超韧性的层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法，该超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤一：将Al2O3陶瓷粉末、水混合，球磨12h-16h(优选12h)，制得陶瓷浆料；其中，Al2O3陶瓷粉末和水的混合质量比为15％-20％：80％-85％(优选20％：80％)，以Al2O3陶瓷粉末的总质量为100wt％计，所述Al2O3陶瓷粉末包括1wt％-2wt％(优选为1wt％)的柠檬酸钠、1wt％-2wt％(优选为1wt％)的聚乙烯醇(PVA)和余量的Al2O3纳米粉末；步骤二：对陶瓷浆料进行真空除气，将陶瓷浆料进行定向凝固，制得陶瓷坯体；步骤三：在50℃至-60℃、10Pa-50Pa(优选-54℃、10Pa)下将所述陶瓷坯体冷冻干燥，制得具有层状孔的陶瓷生坯；步骤四：将具有层状孔的陶瓷生坯在氮气中烧结，以5℃/min-10℃(优选5℃/min)的速度升温至1600℃-1700℃(优选1600℃)，保温4h-6h(优选为4h)，再以5℃/min-10℃/min(优选为5℃/min)的速度降至室温(25℃)，制得致密的层状孔陶瓷坯体；步骤五：向致密的层状孔陶瓷坯体中加入与Al2O3陶瓷粉末等质量的混合粉末，以所述混合粉末的总质量为100wt％计，所述混合粉末包括1wt％-2wt％的偶氮二异丁腈(AIBN)和余量的甲基丙烯酸甲酯(MMA)，在75℃-80℃的水浴中加热30min-40min(优选30min)，得到聚合物；将聚合物冷却至40℃-45℃，制得预聚体；预聚体在55℃-60℃下反应8h-10h(优选8h)，得到层状聚合物-陶瓷复合材料。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，采用的Al2O3纳米粉末为工业用Al2O3纳米粉末。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，优选地，步骤一中，球磨在球磨机中进行。在本专利技术的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，柠檬酸钠作为分散剂，聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，在步骤二中，陶瓷浆料在真空除气仪中进行真空除气。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，优选地，在步骤二中，对陶瓷浆料进行真空除气的时间为30min-60min；更优选地，对陶瓷浆料进行真空除气的时间为30min。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，优选地，在步骤二中，定向凝固的强制手段为：以6-10℃/min的速率将真空除气后的陶瓷浆料从室温(20℃-30℃)降温至-20℃至-30℃(更优选为-30℃)，保温5min-10min。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，在步骤二中，采用冷冻铸造技术进行定向凝固。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，优选地，在步骤三中，将陶瓷坯体脱模后进行冷冻干燥。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，步骤三中，将陶瓷坯体脱模后在冷冻干燥机中进行冷冻干燥。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，优选地，在步骤三中，冷冻干燥的时间为24h-36h；更优选地，冷冻干燥的时间为24h。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，在步骤四中，具有层状孔的陶瓷生坯在马弗炉中进行烧结。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法中，优选地，在步骤五中，将聚合物冷却至40℃-45℃后放置5min-10min再进行下一步骤。本专利技术还提供了一种超韧层状聚合物-陶瓷复合材料，其是由上述的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法制备得到的。本专利技术提供的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法，具体制备步骤包括：混料：将Al2O3纳米粉末、柠檬酸钠、PVA和水混合，在球磨机中球磨12h-16h，制得陶瓷浆料；Al2O3陶瓷粉末和水的混合质量比为15％-20％：80％-85％，以Al2O3陶瓷粉末的总质量为100wt％计，所述Al2O3陶瓷粉末包括1wt％-2wt％的柠檬酸钠、1wt％-2wt％的聚乙烯醇(PVA)和余量的Al2O3纳米粉末；冷冻：将混合好的陶瓷浆料在真空除气仪中真空除气30min-60min，采用冷冻铸造技术，将陶瓷浆料在进行定向凝固(以6-10℃/min的速率将真空除气后的陶瓷浆料降温至-20℃至-30℃，保温5min-10min)，制得陶瓷坯体；升华：将陶瓷坯体脱模后，放入冷冻干燥机中，在-50℃至-60℃、(10Pa-50Pa下冷冻干燥24h-36h，制得具有层状孔的陶瓷生坯；烧结：将具有层状孔的陶瓷生坯放入马弗炉中，在氮气中烧结，以5℃/min-10℃/min的速度，升温至1600℃-1700℃，保温4h-6h，再以5℃/min-10℃/min的速度，降至室温，制得致密的层状孔陶瓷坯体；聚合：(1)预聚合：将致密的层状孔陶瓷坯体放入锥形瓶中，加入与Al2O3陶瓷粉末等质量的混合粉末，以混合粉末的总质量为100wt％计，混合粉末包括1wt％-2wt％的偶氮二异丁腈(AIBN)和余量的甲基丙烯酸甲酯(MMA)混合均匀，然后用橡皮筋和保鲜膜封口，用试管夹固定锥形瓶的瓶颈，放入水浴锅中，在75℃-80℃的水浴中加热，同时用手轻轻晃动，进行预聚合约30min-40min，再取出锥形瓶，取掉橡皮筋和保鲜膜，将聚合物冷却至40℃-45℃，垂直放置5min-10min赶出气泡，制得陶瓷/聚合物的预聚体；(2)后聚合：用橡皮筋和保鲜膜将锥形瓶封好口，然后将预聚体放入烘箱中，在55℃-60℃下反应8h-10h，使单体转化完全，完成聚合，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超韧层状聚合物‑陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，该超韧层状聚合物‑陶瓷复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤一：将Al2O3陶瓷粉末、水混合，球磨12h‑16h，制得陶瓷浆料；其中，Al2O3陶瓷粉末和水的混合质量比为15％‑20％：80％‑85％，以Al2O3陶瓷粉末的总质量为100wt％计，所述Al2O3陶瓷粉末包括1wt％‑2wt％的柠檬酸钠、1wt％‑2wt％的聚乙烯醇和余量的Al2O3纳米粉末；步骤二：对所述陶瓷浆料进行真空除气，进行定向凝固，制得陶瓷坯体；步骤三：在‑50℃至‑60℃、10Pa‑50Pa下将所述陶瓷坯体冷冻干燥，制得具有层状孔的陶瓷生坯；步骤四：将所述具有层状孔的陶瓷生坯在氮气中烧结，以5℃/min‑10℃的速度升温至1600℃‑1700℃，保温4h‑6h，再以5℃/min‑10℃/min的速度降至室温，制得致密的层状孔陶瓷坯体；步骤五：向致密的层状孔陶瓷坯体中加入与Al2O3陶瓷粉末等质量的混合粉末，在75℃‑80℃的水浴中加热30min‑40min，得到聚合物；将所述聚合物冷却至40℃‑45℃，制得预聚体；所述预聚体在55℃‑60℃下反应8h‑10h，得到所述层状聚合物‑陶瓷复合材料；其中，以所述混合粉末的总质量为100wt％计，所述混合粉末包括1wt％‑2wt％的偶氮二异丁腈和余量的甲基丙烯酸甲酯。...

【技术特征摘要】
1.一种超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，该超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤一：将Al2O3陶瓷粉末、水混合，球磨12h-16h，制得陶瓷浆料；其中，Al2O3陶瓷粉末和水的混合质量比为15％-20％：80％-85％，以Al2O3陶瓷粉末的总质量为100wt％计，所述Al2O3陶瓷粉末包括1wt％-2wt％的柠檬酸钠、1wt％-2wt％的聚乙烯醇和余量的Al2O3纳米粉末；步骤二：对所述陶瓷浆料进行真空除气，进行定向凝固，制得陶瓷坯体；步骤三：在-50℃至-60℃、10Pa-50Pa下将所述陶瓷坯体冷冻干燥，制得具有层状孔的陶瓷生坯；步骤四：将所述具有层状孔的陶瓷生坯在氮气中烧结，以5℃/min-10℃的速度升温至1600℃-1700℃，保温4h-6h，再以5℃/min-10℃/min的速度降至室温，制得致密的层状孔陶瓷坯体；步骤五：向致密的层状孔陶瓷坯体中加入与Al2O3陶瓷粉末等质量的混合粉末，在75℃-80℃的水浴中加热30min-40min，得到聚合物；将所述聚合物冷却至40℃-45℃，制得预聚体；所述预聚体在55℃-60℃下反应8h-10h，得到所述层状聚合物-陶瓷复合材料；其中，以所述混合粉末的总质量为100wt％计，所述混合粉末包括1wt％-2wt％的偶氮二异丁腈和余量的甲基丙烯酸甲酯。2.根据权利要求1所述的超韧层状聚合物-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，球磨在球磨机中进行。3.根据权利要求1所述的超韧层状聚合物-陶瓷复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘书海，张勋，肖华平，韩东晓，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11