CN119058189A - 多层复合陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多层复合陶瓷材料及其制备方法，包括基层，所述基层的顶部固定连接有增强材料层，所述增强材料层的顶部固定连接有填充材料层，所述填充材料层的顶部设置有纳米颗粒材料，所述纳米颗粒材料的顶部固定连接有延性材料层，所述基层包括设置在增强材料层底部的氧化铝陶瓷板，氧化铝陶瓷板的顶部固定连接有氮化硅陶瓷板，增强材料层包括固定连接在氮化硅陶瓷板顶部的碳纤维板。本发明通过设置增强材料层、填充材料层、纳米颗粒材料和延性材料层，能够提高材料的强度和韧性，并增强其整体性能，同时保证材料的密度、增强其耐腐蚀性，而且结构在塑形变形能够吸收能量，使裂纹在扩展过程中发生偏转，从而提高陶瓷层的断裂韧性。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体为多层复合陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料，多层复合陶瓷材料通常由多个不同特性和功能的层组成，这些层的设计旨在优化复合材料的整体性能。
将经过处理的基材和增强材料按照一定间隔堆叠，然后放入高温炉中进行烧结，使其固化成形，例如中国专利网公开的专利号为：200980154357.2，专利名称为：低温烧结陶瓷材料及陶瓷基板，用于构成多层陶瓷基板的陶瓷层的低温烧结陶瓷材料含有主成分陶瓷材料和副成分陶瓷材料，实质上不含有Cr氧化物及B氧化物中的任何一种，其中，主成分陶瓷材料含有换算成SiO2为48～75重量％的Si、换算成BaO为20～40重量％的Ba以及换算成Al2O3为5～20重量％的Al，相对于100重量份的主成分陶瓷材料，副成分陶瓷材料含有换算成MnO为2～10重量份的Mn以及分别换算成TiO2和Fe2O3为0.1～10重量份的选自Ti和Fe的至少一种。
但是现有陶瓷材料具有较大的脆性，在受到外力作用时，材料容易发生开裂和断裂，从而限制了其使用寿命和应用范围，特别是在应力状态下，陶瓷基复合材料容易产生裂纹，甚至断裂，导致材料失效。
因此，需要对多层复合陶瓷材料及其制备方法进行设计创造。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供多层复合陶瓷材料及其制备方法，具备提高复合结构强度的优点，解决了现有陶瓷材料具有较大的脆性，在受到外力作用时，材料容易发生开裂和断裂，从而限制了其使用寿命和应用范围，特别是在应力状态下，陶瓷基复合材料容易产生裂纹，甚至断裂，导致材料失效的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：多层复合陶瓷材料及其制备方法，包括基层；
所述基层的顶部固定连接有增强材料层，所述增强材料层的顶部固定连接有填充材料层，所述填充材料层的顶部设置有纳米颗粒材料，所述纳米颗粒材料的顶部固定连接有延性材料层。
作为本发明优选的，所述基层包括设置在增强材料层底部的氧化铝陶瓷板，所述氧化铝陶瓷板的顶部固定连接有氮化硅陶瓷板。
作为本发明优选的，所述增强材料层包括固定连接在氮化硅陶瓷板顶部的碳纤维板，所述碳纤维板的顶部固定连接有陶瓷纤维板。
作为本发明优选的，所述填充材料层包括固定连接在陶瓷纤维板顶部的碳酸钙层，所述碳酸钙的顶部固定连接有碳化硅层，所述碳化硅层的顶部设置有硅酸钙材料，所述硅酸钙材料的顶部与纳米颗粒材料的底部固定连接。
作为本发明优选的，所述延性材料层包括固定连接在纳米颗粒材料顶部的金属层，所述金属层的顶部固定连接有隔热层。
作为本发明优选的，所述金属层的材质为金属铝，所述隔热层的材质为隔热陶瓷材料。
作为本发明优选的，所述基层的表面包裹有界面层，所述增强材料层、填充材料层、纳米颗粒材料和延性材料层均位于界面层的内侧，所述界面层有防护涂料涂覆干燥后形成。
作为本发明优选的，多层复合陶瓷材料及其制备方法，包括以下步骤：
S1：采用流延、喷涂、光刻等特殊制造工艺将氧化铝陶瓷板、氮化硅陶瓷板、碳纤维板、陶瓷纤维板、碳酸钙层、碳化硅层、硅酸钙材料、金属层和隔热层加工成片状，并按照权利要求1-6设计的层叠结构进行堆叠，堆叠过程中需要确保各层之间的平整度和厚度一致，避免因为高低不平或厚度不均匀导致压缩不良；
S2：将堆叠好的陶瓷片放入高温炉中进行烧结，使其成为一个坚硬的陶瓷块，烧结温度为1200-1600℃，持续时间为2-5小时左右。在烧结过程中，可以进行压实或热压处理；
S3：烧结完毕后通过自然冷却的方式等待冷却，待陶瓷片温度恢复常温时，将陶瓷片浸泡在防护涂料中，当陶瓷片的表面均匀包裹防护涂料时，通过烘干的方式进行干燥，待防护涂料干燥后形成界面层。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过设置增强材料层、填充材料层、纳米颗粒材料和延性材料层，能够提高材料的强度和韧性，并增强其整体性能，同时保证材料的密度、增强其耐腐蚀性，而且结构在塑形变形能够吸收能量，使裂纹在扩展过程中发生偏转，从而提高陶瓷层的断裂韧性。
2、本发明通过设置氧化铝陶瓷板和氮化硅陶瓷板，能够使复合陶瓷具有优异的耐磨性，而且氧化铝陶瓷板具有良好的绝缘性能，能够有效隔离电流和热量的传导，在高温环境下稳定性好，不易变形、开裂或脱落，对大多数化学物质都具有良好的耐腐蚀性，能够在化学侵蚀的环境中稳定运行。
3、本发明通过设置碳纤维板和陶瓷纤维板，能够提高复合陶瓷的比强度，能够耐酸、碱及各种盐类溶液的腐蚀，化学稳定性强，在大气中不氧化，同时便于用户进行制备，可以在较高温度环境下保持性能稳定。
4、本发明通过设置碳酸钙层、碳化硅层和硅酸钙材料，能够降低复合陶瓷的制备成本，同时无毒无味，易干燥，可以大幅提高材料结构稳定性，能够承受高负荷和磨损。
5、本发明通过设置金属层和隔热层，能够吸收能量，使裂纹在扩展过程中发生偏转，从而提高陶瓷层的断裂韧性，隔热层可以对外部热量进行初步阻隔，避免结构连接之间因温度升高出现分离的现象。
6、本发明通过设置金属铝材质的金属层，可以便于材料延展，同时可以保证材料的性能与强度。
7、本发明通过设置界面层，可以大幅提高结构连接稳定性，防止结构外边缘与外部环境直接接触。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明局部结构示意图；
图3为本发明局部结构剖面示意图。
图中：1、基层；2、增强材料层；3、填充材料层；4、纳米颗粒材料；5、延性材料层；6、氧化铝陶瓷板；7、氮化硅陶瓷板；8、碳纤维板；9、陶瓷纤维板；10、碳酸钙层；11、碳化硅层；12、硅酸钙材料；13、金属层；14、隔热层；15、界面层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明提供的多层复合陶瓷材料及其制备方法，包括基层1；
基层1的顶部固定连接有增强材料层2，增强材料层2的顶部固定连接有填充材料层3，填充材料层3的顶部设置有纳米颗粒材料4，纳米颗粒材料4的顶部固定连接有延性材料层5。
参考图3，基层1包括设置在增强材料层2底部的氧化铝陶瓷板6，氧化铝陶瓷板6的顶部固定连接有氮化硅陶瓷板7。
作为本发明的一种技术优化方案，通过设置氧化铝陶瓷板6和氮化硅陶瓷板7，能够使复合陶瓷具有优异的耐磨性，而且氧化铝陶瓷板6具有良好的绝缘性能，能够有效隔离电流和热量的传导，在高温环境下稳定性好，不易变形、开裂或脱落，对大多数化学物质都具有良好的耐腐蚀性，能够在化学侵蚀的环境中稳定运行。
参考图3，增强材料层2包括固定连接在氮化硅陶瓷板7顶部的碳纤维板8，碳纤维板8的顶部固定连接有陶瓷纤维板9。
作为本发明的一种技术优化方案，通过设置碳纤维板8和陶瓷纤维板9，能够提高复合陶瓷的比强度，能够耐酸、碱及各种盐类溶液的腐蚀，化学稳定性强，在大气中不氧化，同时便于用户进行制备，可以在较高温度环境下保持性能稳定。
参考图3，填充材料层3包括固定连接在陶瓷纤维板9顶部的碳酸钙层10，碳酸钙的顶部固定连接有碳化硅层11，碳化硅层11的顶部设置有硅酸钙材料12，硅酸钙材料12的顶部与纳米颗粒材料4的底部固定连接。
作为本发明的一种技术优化方案，通过设置碳酸钙层10、碳化硅层11和硅酸钙材料12，能够降低复合陶瓷的制备成本，同时无毒无味，易干燥，可以大幅提高材料结构稳定性，能够承受高负荷和磨损。
参考图3，延性材料层5包括固定连接在纳米颗粒材料4顶部的金属层13，金属层13的顶部固定连接有隔热层14。
作为本发明的一种技术优化方案，通过设置金属层13和隔热层14，能够吸收能量，使裂纹在扩展过程中发生偏转，从而提高陶瓷层的断裂韧性，隔热层14可以对外部热量进行初步阻隔，避免结构连接之间因温度升高出现分离的现象。
参考图3，金属层13的材质为金属铝，隔热层14的材质为隔热陶瓷材料。
作为本发明的一种技术优化方案，通过设置金属铝材质的金属层13，可以便于材料延展，同时可以保证材料的性能与强度。
参考图2，基层1的表面包裹有界面层15，增强材料层2、填充材料层3、纳米颗粒材料4和延性材料层5均位于界面层15的内侧，界面层15有防护涂料涂覆干燥后形成。
作为本发明的一种技术优化方案，通过设置界面层15，可以大幅提高结构连接稳定性，防止结构外边缘与外部环境直接接触。
参考图1，多层复合陶瓷材料及其制备方法，包括以下步骤：
S1：采用流延、喷涂、光刻等特殊制造工艺将氧化铝陶瓷板6、氮化硅陶瓷板7、碳纤维板8、陶瓷纤维板9、碳酸钙层10、碳化硅层11、硅酸钙材料12、金属层13和隔热层14加工成片状，并按照权利要求1-6设计的层叠结构进行堆叠，堆叠过程中需要确保各层之间的平整度和厚度一致，避免因为高低不平或厚度不均匀导致压缩不良；
S2：将堆叠好的陶瓷片放入高温炉中进行烧结，使其成为一个坚硬的陶瓷块，烧结温度为1200-1600℃，持续时间为2-5小时左右。在烧结过程中，可以进行压实或热压处理；
S3：烧结完毕后通过自然冷却的方式等待冷却，待陶瓷片温度恢复常温时，将陶瓷片浸泡在防护涂料中，当陶瓷片的表面均匀包裹防护涂料时，通过烘干的方式进行干燥，待防护涂料干燥后形成界面层15。
本发明的工作原理及使用流程：采用流延、喷涂、光刻等特殊制造工艺将氧化铝陶瓷板6、氮化硅陶瓷板7、碳纤维板8、陶瓷纤维板9、碳酸钙层10、碳化硅层11、硅酸钙材料12、金属层13和隔热层14加工成片状，并按照权利要求1-6设计的层叠结构进行堆叠，堆叠过程中需要确保各层之间的平整度和厚度一致，避免因为高低不平或厚度不均匀导致压缩不良，将堆叠好的陶瓷片放入高温炉中进行烧结，使其成为一个坚硬的陶瓷块，烧结温度为1200-1600℃，持续时间为2-5小时左右。在烧结过程中，可以进行压实或热压处理，烧结完毕后通过自然冷却的方式等待冷却，待陶瓷片温度恢复常温时，将陶瓷片浸泡在防护涂料中，当陶瓷片的表面均匀包裹防护涂料时，通过烘干的方式进行干燥，待防护涂料干燥后形成界面层15。
综上所述：该多层复合陶瓷材料及其制备方法，通过设置增强材料层2、填充材料层3、纳米颗粒材料4和延性材料层5，能够提高材料的强度和韧性，并增强其整体性能，同时保证材料的密度、增强其耐腐蚀性，而且结构在塑形变形能够吸收能量，使裂纹在扩展过程中发生偏转，从而提高陶瓷层的断裂韧性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.多层复合陶瓷材料及其制备方法，包括基层(1)；
其特征在于：
所述基层(1)的顶部固定连接有增强材料层(2)，所述增强材料层(2)的顶部固定连接有填充材料层(3)，所述填充材料层(3)的顶部设置有纳米颗粒材料(4)，所述纳米颗粒材料(4)的顶部固定连接有延性材料层(5)。
2.根据权利要求1所述的多层复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述基层(1)包括设置在增强材料层(2)底部的氧化铝陶瓷板(6)，所述氧化铝陶瓷板(6)的顶部固定连接有氮化硅陶瓷板(7)。
3.根据权利要求2所述的多层复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述增强材料层(2)包括固定连接在氮化硅陶瓷板(7)顶部的碳纤维板(8)，所述碳纤维板(8)的顶部固定连接有陶瓷纤维板(9)。
4.根据权利要求3所述的多层复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述填充材料层(3)包括固定连接在陶瓷纤维板(9)顶部的碳酸钙层(10)，所述碳酸钙的顶部固定连接有碳化硅层(11)，所述碳化硅层(11)的顶部设置有硅酸钙材料(12)，所述硅酸钙材料(12)的顶部与纳米颗粒材料(4)的底部固定连接。
5.根据权利要求1所述的多层复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述延性材料层(5)包括固定连接在纳米颗粒材料(4)顶部的金属层(13)，所述金属层(13)的顶部固定连接有隔热层(14)。
6.根据权利要求5所述的多层复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述金属层(13)的材质为金属铝，所述隔热层(14)的材质为隔热陶瓷材料。
7.根据权利要求1所述的多层复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：所述基层(1)的表面包裹有界面层(15)，所述增强材料层(2)、填充材料层(3)、纳米颗粒材料(4)和延性材料层(5)均位于界面层(15)的内侧，所述界面层(15)有防护涂料涂覆干燥后形成。
8.根据上述任意一条权利要求所述的多层复合陶瓷材料及其制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采用流延、喷涂、光刻等特殊制造工艺将氧化铝陶瓷板(6)、氮化硅陶瓷板(7)、碳纤维板(8)、陶瓷纤维板(9)、碳酸钙层(10)、碳化硅层(11)、硅酸钙材料(12)、金属层(13)和隔热层(14)加工成片状，并按照权利要求1-6设计的层叠结构进行堆叠，堆叠过程中需要确保各层之间的平整度和厚度一致，避免因为高低不平或厚度不均匀导致压缩不良；
S2：将堆叠好的陶瓷片放入高温炉中进行烧结，使其成为一个坚硬的陶瓷块，烧结温度为1200-1600℃，持续时间为2-5小时左右。在烧结过程中，可以进行压实或热压处理；
S3：烧结完毕后通过自然冷却的方式等待冷却，待陶瓷片温度恢复常温时，将陶瓷片浸泡在防护涂料中，当陶瓷片的表面均匀包裹防护涂料时，通过烘干的方式进行干燥，待防护涂料干燥后形成界面层(15)。
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