多功能陶瓷及其制造方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种多功能陶瓷及其制造方法与应用。由包括传统陶瓷材料和核心材料构成；所述核心材料可以是任何具有胞状结构的材料，具有任意形状和尺寸的胞状结构，和不同胞壁厚度的胞状结构，所制得的多功能陶瓷是具有周期性胞状结构的陶瓷体，单胞元周期性地排列；所述核心材料也可以是没有周期性胞的材料；所述多功能陶瓷的特性是用来创造它的原始材料的特性组合，原始材料根据最终材料所需的特定性能来考虑选择。本发明专利技术还公开了一种多功能陶瓷的制备方法，与传统的制备工艺相比，包括由核心材料和陶瓷体材料选择决定的额外步骤。可制出性能增强材料，也可制成具有额外功能的新材料。本发明专利技术还公开了多功能陶瓷的应用。

【技术实现步骤摘要】
多功能陶瓷及其制造方法与应用
本专利技术涉及一种陶瓷及其制造方法和应用，属于陶瓷材料领域以及多功能材料领域，特别涉及一种多功能陶瓷及其制造方法和应用。
技术介绍
技术1高冲击强度材料技术与碎片限制陶瓷材料由于其优异的压缩和冲击强度，广泛应用于弹道/冲击和一般高速冲击防护材料和系统，特别是在防护
，包括头盔、弹道夹克的产品，用于空间飞行器/卫星应用/航空应用/海洋应用等的装甲和材料，可达到极端冲击条件或压缩和高温。在这种情况下，通常使用增强陶瓷和陶瓷层状系统(Ep0287918a1，US2009/0114083)。在弹道防护系统中，理想的目标是获得单位体积重量尽可能低的材料，能阻止子弹及其碎片的穿透。在这一领域有几种解决方案，通常这些方案不是由一种单一的材料来实现，而是由一个分层的材料系统来实现。缺点在于目前的解决方案是陶瓷材料的层状系统，通常会导致很高的重量，替代方案有高强度纤维增强复合材料，但它们的弹道性能受到弹丸撞击速度的限制，因此这些材料仍需与重陶瓷结合使用。目前需要高冲击强度且更轻的材料。技术2超材料技术(MTM)超材料是具有周期性微结构的人工工程材料，具有操纵入射电磁波的能力。人工周期结构实际上是印刷在电路板材料上的导电微结构(在某些频率下是共振的)的排列。它们的设计是为了达到标准材料不可能达到的介电常数和磁导率常数。过滤器、吸收器、天线、透镜、天线罩是大量的应用，它们可以从MTMS集成到现有材料和部件中获益。自从最初证明从透镜到天线的器件的电磁特性可能增强以来，从微波频率到GHz和THz频率的进展，也朝着具有真正结构特性的器件的新概念发展(WO2012/1520022A1)。电磁器件的MTM中使用的相同原理已经被提出用于声学应用。其缺点在于这些专利和大多数MTM设想的应用仍然受到很大的限制，因为缺乏实用的方法和制造方法在真实的结构材料中实现。目前，超材料仍然是在材料片或导电粒子或沉积在平面材料表面的材料上切割出形状。这些导电结构是通过在像最新的太赫兹器件(US9030286B2)的基底上沉积纳米颗粒，或传统的光刻方法制成的。本专利技术的同一作者在WO2012/152022A1中首次尝试制造具有结构强度的实际MTM装置或材料，然而在所有这些先前的专利中，尚未提出制造真实的、同时也是陶瓷超材料的解决方案。技术3低温共烧陶瓷技术(LTCC)像CN108218406A和其他LTCC材料的专利技术清楚地表明了这项技术对于建造天线、雷达、天线罩、LED等设备的重要性。这些专利主要集中在陶瓷粉体的混合和努力改变其组成的百分比，以降低介电常数和损耗(或相反)。这些专利显示了这一领域的局限性，因为在机械性能方面，其他性能可能更好的陶瓷混合物无法使用，大多数陶瓷都有很高的介电常数，因为它们代表了一种极为致密的介质，波可以通过这种介质。为此，科学家花费了大量的精力来改变陶瓷的成分。低温共烧陶瓷(LTCC)技术是制造通信设备、便携式电子设备等最常见陶瓷材料的主要技术。该技术及它生产的材料可提供以下优点：(1)电子元件的小型化。在无线通信、卫星通信等移动通信中，使用频率在MHz至300GHz之间的微波的通信系统的最新发展，使其电子元件不断小型化。随着性能、耐用性和结构强度的提高，对轻量化和小型设备的需求也在增加。LTCC技术适用于制造超高频小型器件，只有高Q值(品质因数)的材料才能用，所以陶瓷是目前唯一的选择。这些元件的大小取决于所用电磁波的频率。目前的应用，在这一领域取得的进展表明，对于频率≥1～2GHz的器件，介电常数在20～40范围内的材料现在被广泛应用于天线等多种器件，通常用于这些应用的滤波器等材料由高频的低温烧结介电陶瓷制成。(2)允许层压。因为这个原因，与基于PCB的封装相比，可以获得更高的电路集成度，并且可以通过使用例如空腔方法在模块中安装有源元件来实现多功能模块。通过流延可以获得陶瓷薄膜。(3)烧结温度低。LTCC最基本的特点是允许制造一种低介电陶瓷成分，然后形成一种(与所有其他可用陶瓷相比)具有相对较低介电常数、低损耗和高Q值的基底。一般而言，这种成分包括50-90重量％的硼硅酸盐基玻璃成分和10-50重量％的填料，例如二氧化硅。在这里，玻璃在700℃以下软化，在850℃左右形成液体，并在850至950℃下提供致密化，在此LTCC最好烧结。该填料提高了烧结陶瓷的机械强度。(4)环保。制造陶瓷的较低温度需要较少的能源消耗，因此减少温室气体的产生。用于高频应用的LTCC技术具有许多优点，但其发展需要一些重大突破。主要问题涉及对材料的严格要求和可供选择的有限性。该领域的研究一直受到硼硅酸盐基玻璃成分(可能还有少数其它硼硅酸盐基玻璃成分)的限制。技术4绝缘材料及材料系统之技术隔热材料：为了限制两种环境之间的热传递，需要使用绝缘体材料。在温度不允许应用聚合物基材料的应用中，陶瓷及其泡沫是解决方案之一。一般来说，在这一领域，可能性受到可使用材料和相关成本的小范围选择以及达到一定高冲击和压缩强度的需要的限制。电气绝缘材料：如果工作温度很高，需要低损耗，只可以用陶瓷材料。在这里，LTCC仍然可以为许多应用提供服务。辐照绝缘材料：在核电厂中，这些材料是最基本的需要。在这些应用中需要极高密度的陶瓷。几十年来，这一领域的进展一直很稳定，因为能够满足要求的材料选择极为有限。技术5空气和水净化过滤器的技术，包括催化陶瓷材料鉴于人们对环境污染的日益关注，空气和水净化系统如今得到了深入的研究。净水过滤器通常由活性炭过滤器制成，或者取决于应用-陶瓷复合材料/陶瓷多孔材料与填料，也例如非常常见的是使用银纳米颗粒或二氧化钛。近年来，活性炭也被用于去除室内空气中的有机分子。为了提高这些材料的吸收性能，人们付出了很大的努力。对于这一领域，研究正在需要朝着超轻量、多功能部件和耐高温材料的方向发展。技术6用于医疗的陶瓷技术，也称为生物陶瓷这一领域在过去几十年中不断发展，特别是在生物相容性材料领域取得了进展，如组织细胞相容性高、免疫系统耐受的材料，以及表现出高抵抗力、抗压强度和耐久性的材料，比如陶瓷和其他一些材料比如钛。生物陶瓷是一类重要的生物材料，主要用于外科植入。在这一领域，人们一直在不断努力，解决方案正朝着具有综合功能的材料发展，如药物输送、矿物生长潜力、细胞生长潜力、让血液流过和毛细血管生长的能力等。需要更多的材料选择。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术目的是提供一种多功能陶瓷及其制备方法和应用。本专利技术提出的原理和制造方法可制出现有的方案(材料和材料系统)性能增强的材料，也可制成具有额外功能的新材料。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种多功能陶瓷Ⅰ，由包括传统陶瓷材料和核心材料构成；所述传统陶瓷材料是公知的陶瓷材料，包括但不限于低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷和超高温共烧陶瓷；所述核心材料具有周期性胞状结构的材料，所述胞状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能陶瓷，其特征在于：由包括传统陶瓷材料和核心材料构成；/n所述传统陶瓷材料是公知的陶瓷材料，包括但不限于低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷和超高温共烧陶瓷；/n所述核心材料具有周期性胞状结构的材料，所述胞状结构具有形状，尺寸，和胞壁厚度，所制得的多功能陶瓷是具有周期性胞状结构的陶瓷体，单胞元周期性地排列；所述形状包括但不限于蜂窝单元、圆形单元或专门设计的，所述周期性胞状结构沿厚度和/或沿平面恒定或可变。/n

【技术特征摘要】
1.一种多功能陶瓷，其特征在于：由包括传统陶瓷材料和核心材料构成；
所述传统陶瓷材料是公知的陶瓷材料，包括但不限于低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷和超高温共烧陶瓷；
所述核心材料具有周期性胞状结构的材料，所述胞状结构具有形状，尺寸，和胞壁厚度，所制得的多功能陶瓷是具有周期性胞状结构的陶瓷体，单胞元周期性地排列；所述形状包括但不限于蜂窝单元、圆形单元或专门设计的，所述周期性胞状结构沿厚度和/或沿平面恒定或可变。


2.根据权利要求1所述的多功能陶瓷，其特征在于：
所述核心材料包括但不限于聚合物核、聚合物基增强复合材料、纸核、纸增强核、金属核、金属基复合材料、纤维增强复合材料，包括两组多功能陶瓷：周期性多孔多功能陶瓷具有集成周期性孔隙率的陶瓷，其中胞状结构以精确的周期性方式有序排列，核心单胞壁为空；以及周期性非多孔多功能陶瓷，具有周期性致密胞状结构的陶瓷，核心单胞壁不为空。


3.根据权利要求1所述的多功能陶瓷，其特征在于：
所述核心材料是在低于陶瓷体烧结温度的温度下燃烧的材料，得到的陶瓷为多孔多功能陶瓷材料，得到或以精确的周期性方式排列，核心呈现以内部孔隙，是空的；
所述核心材料是在烧结陶瓷体时不燃烧、不熔化或不发生任何变化的材料，得到的陶瓷为非多孔多功能陶瓷材料，得到具有周期性致密的核心结构，核心不是空的。


4.一种多功能陶瓷，其特征在于：由包括传统陶瓷材料和核心材料构成；
所述传统陶瓷材料是公知的陶瓷材料，包括但不限于低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷和超高温共烧陶瓷；
所述核心材料是非周期性胞状结构的材料；所述形状使用具有随机分布的纤维或开孔的核心；所述核心材料包括但不限于金属核、金属泡沫、金属基复合材料、合金堆芯材料、聚合泡沫、无规纤维泡沫、陶瓷增强聚合物，包括两组多功能陶瓷：非周期性多孔多功能陶瓷，核心为空；非周期性非多孔多功能陶瓷，核心不为空。


5.根据权利要求4所述的多功能陶瓷，其特征在于：
所述核心材料是在低于陶瓷体烧结温度的温度下燃烧的材料，得到的陶瓷为多孔多功能陶瓷材料，得到或以非周期性方式排列核心结构，核心呈现以内部孔隙，是空的；
所述核心材料是在烧结陶瓷体时不燃烧、不熔化或不发生任何变化的材料，得到的陶瓷为非多孔多功能陶瓷材料，得到具有非周期性致密的核心结构，核心不是空的。


6.一种多功能陶瓷，其特征在于：为多层陶瓷材料系统，所述陶瓷材料可以是如权利要求1-5中任一项所述的材料，陶瓷材料组合层叠且层数在两层及以上；每一层的核心材料是相同的；层的最小厚度目前可用技术或未来技术进步所能制造的核心材的最小厚度，200微米或20-50微米。


7.一种多功能陶瓷，其特征在于：为多层陶瓷材料系统，所述陶瓷材料可以是如权利要求1-5中任一项所述的材料和/或传统陶瓷材料，陶瓷材料组合层叠且层数在两层及以上；每一层的核心材料是不同的；层的最小厚度是目前可用技术或未来技术进步所能制造的核心材的最小厚度，200微米或20-50微米。


8.一种多功能陶瓷的制造方法，其特征在于，在传统的制备工艺陶瓷浆料的混合与烧结外，包括以下额外的步骤：
将核心材料集成到制备的初始陶瓷浆料中；烧结前陶瓷浆料进行压缩；烧结过程中除去陶瓷浆中的气体、发泡剂、分散剂和添加剂；由核心材料和陶瓷体材料选择决定的调整或改变烧结过程的温度斜坡的附加步骤。


9.一种多功能陶瓷的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)所需多功能陶瓷材料性能的建设(设计、计算、评估)；
2)选择陶瓷粉末成分及其核心材料，包括但不限于核心材料类型、厚度、单元尺寸、单元形状、单元壁厚；
3)以传统的方式制备陶瓷浆料，包括混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：法布里齐亚·盖佐，
申请(专利权)人：深圳绿蓝技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44