CN107326211A - 一种高体份陶瓷‑金属层状复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高体份陶瓷‑金属层状复合材料，其中，陶瓷体积分数达到70～90vol.％，且具有高定向层状平行结构；陶瓷层之间由金属韧带桥连接；陶瓷层厚度为20～80μm，金属韧带桥厚度5～10μm。本发明所述的双温度梯度冷冻铸造工艺所制得的层状多孔陶瓷骨架，其整体(三维)层状结构规则，呈平行排列；本发明利用热压工艺将层状复合材料中多余的金属相压出，从而成功制备出陶瓷体积分数高达70～90vol.％的层状陶瓷‑金属复合材料，更加接近于贝壳珍珠层的成分比例。本发明利用热压工艺将相互枝接的陶瓷层打断，成为相互隔离的层片，将多余的金属相挤入这些隔离的陶瓷层片间隙，形成了与贝壳珍珠层极为相似的“砖‑泥”结构，具有更好的强韧化效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种高体份陶瓷-金属层状复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
天然生物材料通常由自然界中简单的矿物与有机质等原材料组分构成，但其复杂的多尺度分级组装结构却赋予了其优异的力学性能以及对生存环境的最佳适应性。其中一个典型的例子就是贝壳。珍珠贝由约95vol.％的脆性文石(主要成分为CaCO3)和约5vol.％的有机物组成，但其断裂韧性是天然文石的3000多倍，这主要归因于文石和有机物交替层叠排列形成的多尺度、多级次的“砖-泥”层状结构。珍珠贝的强韧机理为克服陶瓷材料的固有脆性，开发高强韧的高体份陶瓷增强复合材料提供了灵感。相比于以有机物作为韧性层，金属材料如铝合金无疑具有更好的强度、断裂韧性以及耐高温性。以金属材料作为韧性层，仿照珍珠贝的“砖-泥”层状结构来制备高体份陶瓷-金属层状复合材料将具有更好的强韧化效果，且适用于更广泛的应用领域。
目前，高体份陶瓷–金属复合材料的制备通常采用无压浸渗、粉末冶金等方法，如中国发明专利申请号为CN200710064281.7，公开号为CN101016591，发明创造名称为“一种复杂形状高体分比SiCp/Al复合材料的制备方法”的专利采用凝胶注模-无压浸渗工艺成功制备出陶瓷体积分数为50～70vol.％的SiCp/Al复合材料；又如中国发明专利申请号为CN201410740013.2，公开号为CN105714137A，发明创造名称为“高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法”的专利采用粉末冶金工艺成功制备出体积分数为55～60vol.％的SiCp/Al-Cu-Si复合材料，但上述高体份陶瓷–金属复合材料中陶瓷颗粒均匀分布于金属基体中，其强韧化效果有限，且陶瓷含量通常难以达到70vol.％以上。
近年来，冰模板(又称冷冻铸造)法已发展成为制备具有仿贝壳结构的大尺度工程材料的一种有效方法。它是通过控制水基陶瓷浆料的定向凝固获得冷冻坯体，再经过低温真空干燥和高温烧结，制备出层片厚度为微米尺度且排列规则的层状多孔陶瓷骨架，然后向该骨架中浸渗有机物或金属材料作为延性相，就可以制备出轻质高强韧的仿贝壳层状结构复合材料。中国发明专利申请号为CN201410072030.3，公开号为CN103895285A，发明创造名称为“高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法”的专利曾报道其采用冷冻铸造结合无压浸渗工艺成功制备出高强度Al-Si-Mg/(Al2O3、SiC、TiC)层状复合材料。中国发明专利申请号为CN201610117509.3，公开号为CN105506341A，发明创造名称为“Mg合金/Al2O3复合材料及制备方法”的专利采用冷冻铸造结合反应浸渗工艺成功制备出Mg合金/Al2O3层状复合材料。但是，以上专利中采用的都是单向冷冻铸造工艺。单向冷冻时，陶瓷浆料在单一的温度梯度(一般是垂直方向)下进行定向凝固，片状冰晶沿着温度梯度(垂直)方向定向生长，而在与温度梯度垂直的水平方向上，冰晶则是以随意取向形核并生长，最终所制备出复合材料的层片结构仅在局部呈平行有序排列，而整体上杂乱无序，难以实现对层片取向的精确控制，与贝壳珍珠层高度平行排列的层片结构的差异较大。而且，当陶瓷体积分数达到30-40vol.％，水基浆料的粘度很大，即使采用良好的分散剂，也会因为浆料的高粘度导致在冷冻过程中冰晶难以将陶瓷颗粒排开，从而影响冰晶生长，导致层状结构不明显。利用冷冻铸造-无压浸渗法制备的复合材料中的陶瓷含量通常为10-40vol.％，复合材料中塑性相的含量达到60-90vol.％，而珍珠贝中的塑性相含量仅占5vol.％，过多的塑性相必然会导致复合材料强度的降低，不利于复合材料综合性能的提高。从文献检索知，目前国内外尚未见到三维尺度上具有高定向层状排列和高陶瓷含量(体积分数≥70vol.％)的仿贝壳结构陶瓷-金属复合材料及其制备方法的报道。
发明内容
本发明所要解决的关键问题是传统冷冻铸造所制得的陶瓷-金属层状复合材料的层片只在一维尺度上呈有序排列，而在其它方向上呈杂乱无序的结构，复合材料中金属相含量过高(超过50vol.％)以及组织中含有残留孔洞等缺陷的问题。本发明提供了一种有效控制陶瓷骨架层片取向的冷冻方法和降低金属相含量以及内部气孔等缺陷的工艺方法，从而制备出具有高定向层状结构、高陶瓷含量和无气孔缺陷的仿贝壳陶瓷-金属复合材料。
一种高体份陶瓷-金属层状复合材料，其中，陶瓷体积分数达到70～90vol.％，且具有高定向层状平行结构；陶瓷层之间由金属韧带桥连接；陶瓷层厚度为20～80μm，金属韧带桥厚度5～10μm。
所述陶瓷材料为Al2O3或SiC或TiC中的一种或多种，作为优选，陶瓷粉体颗粒直径为500nm～5μm；所述金属为纯铝、铝合金和镁合金中的一种；
所述高定向层状平行结构，是指其三维材料的层片结构取向一致且与温度梯度方向平行的区域达到90％以上。
一种高体份陶瓷-金属层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉体和去离子水按体积比1：(1.5～4)均匀混合，并加入分散剂和粘结剂，加入质量为浆料总质量的0.5～2wt.％，然后进行球磨并除泡，得到均匀分散且固相含量为20～40vol.％的水基陶瓷浆料。
(2)将聚四氟乙烯模具安装到楔形冷冻板上，然后将陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具内，从楔形冷冻板的厚端开始降温，浆料在楔形冷冻板形成的垂直和水平双向温度梯度下进行定向凝固。作为优选，所述楔形冷冻板为铜板或铝板，其长度为50～100mm，其倾角为5～10°，利用液氮对楔形冷冻板厚端进行降温，所述降温方式为从室温开始匀速降温直至浆料完全凝固，降温速率为1～5℃/min。
(3)将浆料完全凝固后形成的冷冻坯体放入冷冻干燥机内进行真空干燥。将干燥得到的层状多孔陶瓷骨架在空气中或真空中或氩气气氛下进行高温烧结，然后采用真空-气体压力浸渗法将熔融金属液浸渗到层状多孔陶瓷骨架中，得到层状陶瓷-金属复合材料。作为优选，冷冻干燥机温度控制为-40～-80℃，真空度为10～20Pa，干燥时间为24～48h；坯体高温烧结温度为1500～2000℃，时间2～4h，加热和冷却速度4～5℃/min；所述压力浸渗工艺参数为：常温下抽真空至0.1～10Pa后，以5～10℃/min加热至650～850℃(根据合金熔点差异)，保温10～30min，然后向真空炉内通入高纯氩气至1～5MPa，保温保压5～10min，然后以5℃/min降温至室温。坯体形状和尺寸受控于模具。本发明中所述冷冻坯体为长方体，其边长和高度为(25～30)mm×30mm。但不限于以上尺寸参数。
(4)将浸渗得到的层状陶瓷-金属复合材料置于真空热压炉中，在高于金属熔点温度下，沿垂直于层片方向进行热压，从而在不破坏整体层状结构的前提下，减小金属层厚度，获得高陶瓷含量且成分比例及结构形式都更接近于珍珠贝的陶瓷-金属复合材料。作为优选，所述热压工艺参数为：常温下抽真空至0.1～10Pa后，以5～10℃/min加热至高于金属熔点20～100℃，保温10min，然后沿着垂直于层片方向施加100～200MPa压力，压下量10～15mm，保温保压10min，然后在压力作用下以5℃/min冷却到金属熔点以下，释放掉压力，随炉冷却至室温。
该发明的有益效果在于：
(1)本发明所述的双温度梯度冷冻铸造工艺所制得的层状多孔陶瓷骨架，其整体(三维)层状结构规则，呈平行排列，而传统冷冻铸造工艺所制得的陶瓷骨架的层状结构仅是局部(一维)平行排列，而整体无序，本发明所提出的新工艺在对陶瓷骨架的结构控制上取得了极大进步，实现了对层片取向的精确控制。
(2)本发明利用热压工艺将层状复合材料中多余的金属相压出，从而成功制备出陶瓷体积分数高达70～90vol.％的层状陶瓷-金属复合材料，更加接近于贝壳珍珠层的成分比例。同时也可通过改变工艺参数来灵活地调整层状陶瓷-金属复合材料中金属层的厚度，从而获得具有不同陶瓷/金属层厚比的复合材料，以适应不同的性能需求。
(3)本发明利用热压工艺将相互枝接的陶瓷层打断，成为相互隔离的层片，将多余的金属相挤入这些隔离的陶瓷层片间隙，形成了与贝壳珍珠层极为相似的“砖-泥”结构，具有更好的强韧化效果。
(4)本发明利用热压工艺有效消除了陶瓷层中金属液难以填充的气孔缺陷，获得了更为完整致密的组织，可以有效改善复合材料的性能。
附图说明
图1是本发明所述的双温度梯度冰模板装置示意图(图中坐标系的Z方向为冰晶竖直生长方向，Y方向为冰晶水平生长方向，X方向为冰晶及陶瓷层片的法向)；
图2是本发明所述的初始陶瓷含量为30vol.％，烧结后为40vol.％(体积分数)的Al2O3坯体沿垂直于冰晶竖直生长方向的横截面(XY平面)宏观结构扫描电子显微镜照片；
图3是本发明所述的初始陶瓷含量为30vol.％，烧结后为40vol.％(体积分数)的Al2O3坯体沿垂直于冰晶水平生长方向的纵截面(XZ平面)宏观结构扫描电子显微镜照片；
图4是本发明所述的初始陶瓷含量为30vol.％，烧结后为40vol.％(体积分数)的Al2O3坯体沿平行于冰晶水平生长方向的纵截面(YZ平面)宏观结构扫描电子显微镜照片；
图5是本发明所述的陶瓷含量为40vol.％的Al/Al2O3层状复合材料沿垂直于冰晶竖直生长方向的横截面(XY平面)光镜照片(图中白亮部分为金属相，黑色部分为陶瓷相)；
图6是本发明所述的热压后陶瓷含量为83vol.％的Al/Al2O3层状复合材料沿垂直于冰晶竖直生长方向的横截面(XY平面)光镜照片(图中白亮部分为金属相，黑色部分为陶瓷相)。
具体实施方式
图1为本发明所提出的双向冷冻铸造装置示意图，该装置通过液氮冷却和加热圈加热共同控制，实现匀速降温，利用楔形冷冻板在陶瓷浆料中形成双向温度梯度，实现对冰晶生长取向的控制。
下述实施例均采用价格低廉、来源广泛的商业Al2O3陶瓷粉体和应用广泛的SiC陶瓷粉体来验证本发明的思想，但本发明的关键在于利用双向温度梯度控制层片结构取向，然后在此基础上结合热压工艺去除多余金属相，从而获得高体份、高定向层状陶瓷-金属复合材料。这些有益效果的实现不依赖于材料体系的选择，因此本发明所提供的技术可普遍适用于常见陶瓷材料，如TiC、ZrO2等。
实施例1
将Al2O3陶瓷粉体(D50＝5μm，99.9％)和去离子水按体积比1：2.3混合，并加入分散剂(聚甲基丙烯酸铵，占陶瓷浆料质量的1wt.％)和粘结剂(聚乙烯醇，占陶瓷浆料质量的1wt.％)，然后进行球磨(速度150转/分，球磨8小时)并除泡20min，配制出初始陶瓷含量为30vol.％的Al2O3陶瓷浆料200ml。将聚四氟乙烯模具安装到楔形冷冻铜板上，板长100mm，倾角5°，模具置于距楔形冷冻板厚端10mm处，然后将陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具内，对楔形冷冻板的厚端从室温开始以1℃/min匀速降温。冷冻好的陶瓷坯体经退模后迅速放入-50℃冷冻干燥机中冷冻干燥48h。冷冻干燥后的坯体尺寸为25mm×25mm×30mm。将干燥后的陶瓷坯体放入马弗炉中，在空气气氛下进行高温烧结。烧结工艺参数为：0-500℃升温速度为4℃/min，500℃时保温30min，然后以5℃/min升到预定温度1600℃，保温2h后以5℃/min降至室温。多孔陶瓷坯体在烧结过程中会产生体积收缩，其实际固相含量由30vol.％增加到40vol.％。通过扫描电子显微镜对多孔陶瓷坯体的宏观和微观结构进行表征，图2所示为陶瓷坯体沿垂直于冰晶竖直生长方向的横截面宏观结构照片，图3和图4所示为陶瓷坯体分别沿垂直和平行于冰晶水平生长方向的纵截面宏观结构照片。可以看出多孔Al2O3陶瓷坯体的整体(三维)层状结构规则，呈平行排列，坯体结构有序度得到极大改善。得到的层状多孔陶瓷坯体的孔隙率为60％，陶瓷层厚度为60±5μm，层间距为75±5μm。
将多孔陶瓷坯体、纯Al锭依次放入氧化铝坩埚内，然后将坩埚放入真空炉中，将装置密封后在常温下抽真空至10Pa后，以5℃/min加热至800℃，保温20min，然后向真空炉内通入高纯氩气至2MPa，保温保压5min，然后以5℃/min降至室温。通过光学显微镜对所制得的Al/Al2O3层状复合材料进行微观结构表征，结果如图5所示，可以看出复合材料完整保留了原有多孔陶瓷预制体的层状结构，白色金属层占据了原始孔隙位置，但金属层明显较厚。复合材料中的陶瓷含量为40vol.％，陶瓷层厚度为58±4μm，金属层厚度为74±5μm。
将制备出的具有平行层状结构的Al/Al2O3层状复合材料，沿着层片排列方向切取20mm×20mm×20mm的块体，将其置于石墨模具中，然后将模具放入真空热压炉中，将装置密封后在常温下抽真空至1Pa后，以5℃/min加热至700℃，保温10min，然后沿着垂直于层片方向(X轴方向)施加压力，压力为100MPa，压下量10mm，保温保压10min，然后在压力下以5℃/min冷却到600℃后泄压，然后随炉冷却至室温，得到22mm×22mm×10mm的样品。通过光学显微镜对热压后的Al/Al2O3层状复合材料进行微观结构表征，结果如图6所示，可以看出经机械热压后的复合材料仍然完整地保持着高度有序的层状结构，而且金属层明显变薄，陶瓷/金属层厚比更加接近于贝壳珍珠层。热压后的复合材料的陶瓷层厚度约为57±2μm，金属层厚度为10±3μm，陶瓷含量达到83vol.％。
实施例2
将Al2O3陶瓷粉体(D50＝2μm，99.9％)和去离子水按体积比1：4混合，并加入分散剂(聚甲基丙烯酸铵，占陶瓷浆料质量的1wt.％)和粘结剂(聚乙烯醇，占陶瓷浆料质量的1wt.％)，然后进行球磨(速度150转/分，球磨8小时)并除泡20min，配制出初始陶瓷含量为20vol.％的Al2O3陶瓷浆料200ml。将聚四氟乙烯模具安装到楔形冷冻铜板上，板长60mm，倾角10°，模具置于距楔形冷冻板厚端5mm处，然后将陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具内，对楔形冷冻板的厚端从室温开始以5℃/min匀速降温。冷冻好的陶瓷坯体经退模后迅速放入-50℃冷冻干燥机中冷冻干燥36h。冷冻干燥后的坯体尺寸为25mm×25mm×30mm。将干燥后的陶瓷坯体放入马弗炉中，在空气气氛下进行高温烧结，烧结工艺参数为：0-500℃升温速度为4℃/min，500℃时保温30min，然后以5℃/min升到预定温度1500℃，保温2h后以5℃/min降至室温。多孔陶瓷坯体在烧结过程中会产生体积收缩，其实际固相含量由20vol.％增加到28vol.％。得到的层状多孔陶瓷坯体的孔隙率为72％，陶瓷层厚度为28±3μm，层间距为52±4μm。
将多孔陶瓷坯体、6061铝合金锭依次放入氧化铝坩埚内，然后将坩埚放入真空炉中，将装置密封后在常温下抽真空至10Pa后，以5℃/min加热至750℃，保温20min，然后向真空炉内通入高纯氩气至3MPa，保温保压5min，然后以5℃/min降至室温。复合材料的陶瓷含量为28vol.％，陶瓷层厚度为28±2μm，金属层厚度为53±3μm。
将制备出的具有平行层状结构的Al合金/Al2O3层状复合材料，沿着层片排列方向切取20mm×20mm×20mm的块体，将其置于石墨模具中，然后将模具放入真空热压炉中，将装置密封后在常温下抽真空至1Pa后，以5℃/min加热至680℃，保温10min，然后沿着垂直于层片方向(X轴方向)施加压力，压力为100MPa，压下量12mm，保温保压10min，然后在压力下以5℃/min冷却到600℃后泄压，然后随炉冷却至室温，得到22mm×22mm×8mm的样品。复合材料经热压后，陶瓷层厚度为27±3μm，金属层厚度为10±2μm，陶瓷含量达到75vol.％。
实施例3
将Al2O3陶瓷粉体(D50＝500nm，99.9％)和去离子水按体积比1：4混合，并加入分散剂(聚甲基丙烯酸铵，占陶瓷浆料质量的1wt.％)和粘结剂(聚乙烯醇，占陶瓷浆料质量的1wt.％)，然后进行球磨(速度150转/分，球磨8小时)并除泡20min，配制出初始陶瓷含量为20vol.％的Al2O3陶瓷浆料200ml。将聚四氟乙烯模具安装到楔形冷冻铝板上，板长80mm，倾角7.5°，模具置于距楔形冷冻板厚端20mm，然后将陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具内，对楔形冷冻板的厚端从室温开始以1℃/min匀速降温。冷冻好的陶瓷坯体经退模后迅速放入-50℃冷冻干燥机中冷冻干燥48h。冷冻坯体尺寸为25mm×25mm×30mm。将干燥后的陶瓷坯体放入马弗炉中，在空气气氛下进行高温烧结，烧结工艺参数为：0-500℃升温速度为4℃/min，500℃时保温30min，然后以5℃/min升到预定温度1500℃，保温2h后以5℃/min降至室温。多孔陶瓷坯体在烧结过程中会产生体积收缩，其实际固相含量由20vol.％增加到32vol.％。得到的层状多孔陶瓷坯体的孔隙率为68％，陶瓷层厚度为37±6μm，层间距为58±5μm。
将多孔陶瓷坯体、AZ91镁合金锭依次放入氧化铝坩埚内，然后将坩埚放入真空炉中，将装置密封后在常温下抽真空至10Pa后，以5℃/min加热至650℃，保温20min，然后向真空炉内通入高纯氩气至1MPa，保温保压5min，然后以5℃/min降至室温。复合材料的陶瓷含量为32vol.％，陶瓷层厚度为36±4μm，金属层厚度为59±5μm。
将制备出的具有平行层状结构的Mg合金/Al2O3层状复合材料，沿着层片排列方向切取20mm×20mm×20mm的块体，将其置于石墨模具中，然后将模具放入热压炉中，将装置密封后在常温下抽真空至1Pa后，然后在氩气环境下以5℃/min加热至640℃，保温10min，然后沿着垂直于层片方向(X轴方向)施加压力，压力为125MPa，压下量12mm，保温保压10min，然后在压力下以5℃/min冷却到500℃后泄压，然后随炉冷却至室温，得到22mm×22mm×8mm的样品。复合材料经热压后，陶瓷层厚度为36±3μm，金属层厚度为10±2μm，陶瓷含量达到80vol.％。
实施例4
将SiC陶瓷粉体(D50＝1.5μm，99.9％)和去离子水按体积比1：4混合，并加入分散剂(羧甲基纤维素钠，占陶瓷浆料质量的1.5wt.％)和粘结剂(聚乙烯醇，占陶瓷浆料质量的0.5wt.％)，然后进行球磨(速度150转/分，球磨8小时)并除泡20min，配制出初始陶瓷含量为20vol.％的SiC陶瓷浆料200ml。将聚四氟乙烯模具安装到楔形冷冻铜板上，板长80mm，倾角7.5°，模具置于距楔形冷冻板厚端10mm，然后将陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具内，对楔形冷冻板的厚端从室温开始以2℃/min匀速降温。冷冻好的陶瓷坯体经退模后迅速放入-50℃冷冻干燥机中冷冻干燥24h。冷冻干燥后的坯体尺寸为25mm×25mm×30mm。将干燥后的陶瓷坯体放入气氛箱式炉中，在真空(10～100Pa)中进行高温烧结。烧结工艺参数为：0～300℃升温速度为4℃/min，300℃时保温30min，300～900℃升温速度为5℃/min，900℃时保温30min，然后充入高纯氩气到0.1MPa，继续以5℃/min升到1800℃，保温2h后以5℃/min降至室温。多孔陶瓷坯体在烧结过程中会产生体积收缩，其实际固相含量由20vol.％增加到30vol.％。得到的层状多孔陶瓷坯体的孔隙率为70％，陶瓷层厚度为33±3μm，层间距为70±5μm。
将多孔陶瓷坯体、纯铝锭依次放入氧化铝坩埚内，然后将坩埚放入真空炉中，将装置密封后在常温下抽真空至10Pa后，以5℃/min加热至850℃，保温20min，然后向真空炉内通入高纯氩气至2MPa，保温保压5min，然后以5℃/min降至室温。复合材料的陶瓷含量为30vol.％，陶瓷层厚度为32±2μm，金属层厚度为72±5μm。
将制备出的具有平行层状结构的Al/SiC层状复合材料，沿着层片排列方向切取20mm×20mm×20mm的块体，将其置于石墨模具中，然后将模具放入真空热压炉中，将装置密封后在常温下抽真空至1Pa后，以5℃/min加热至700℃，保温10min，然后沿着垂直于层片方向(X轴方向)施加压力，压力为150MPa，压下量13mm，保温保压10min，然后在压力下以5℃/min冷却到600℃后泄压，然后随炉冷却至室温，得到22mm×22mm×7mm的样品。复合材料经热压后，陶瓷层厚度为32±3μm，金属层厚度为6±2μm，陶瓷含量达到85vol.％。
图2是本发明所述的初始陶瓷含量为30vol.％，烧结后为40vol.％(体积分数)的A12O3坯体沿垂直于冰晶竖直生长方向的横截面(XY平面)宏观结构扫描电子显微镜照片；图3是本发明所述的初始陶瓷含量为30vol.％，烧结后为40vol.％(体积分数)的A12O3坯体沿垂直于冰晶水平生长方向的纵截面(XZ平面)宏观结构扫描电子显微镜照片；图4是本发明所述的初始陶瓷含量为30vol.％，烧结后为40vol.％(体积分数)的A12O3坯体沿平行于冰晶水平生长方向的纵截面(YZ平面)宏观结构扫描电子显微镜照片；图5是本发明所述的陶瓷含量为40vol.％的Al/Al2O3层状复合材料沿垂直于冰晶竖直生长方向的横截面(XY平面)光镜照片(图中白亮部分为金属相，黑色部分为陶瓷相)；图6是本发明所述的热压后陶瓷含量为83vol.％的Al/Al2O3层状复合材料沿垂直于冰晶竖直生长方向的横截面(XY平面)光镜照片(图中白亮部分为金属相，黑色部分为陶瓷相)。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高体份陶瓷-金属层状复合材料，其特征在于：陶瓷体积分数达到70～90vol.％，且具有高定向层状平行结构；陶瓷层之间由金属韧带桥连接；陶瓷层厚度为20～80μm，金属韧带桥厚度5～10μm。
2.根据权利要求1所述的高体份陶瓷-金属层状复合材料，其特征在于：所述陶瓷材料为Al2O3或SiC或TiC中的一种或多种，粉体颗粒直径为500nm～5μm。
3.根据权利要求1所述的高体份陶瓷-金属层状复合材料，其特征在于：所述金属为纯铝、铝合金和镁合金中的一种。
4.根据权利要求1所述的高体份陶瓷-金属层状复合材料，其特征在于：所述高定向层状平行结构，是指其三维材料的层片结构取向一致且与温度梯度方向平行的区域达到90％以上。
5.一种高体份陶瓷-金属层状复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉体和去离子水按体积比1：(1.5～4)均匀混合，并加入分散剂和粘结剂，加入质量均为浆料总质量的0.5～2wt.％，然后进行球磨并除泡，得到均匀分散且固相含量为20～40vol.％的水基陶瓷浆料；
(2)将聚四氟乙烯模具安装到楔形冷冻板上，然后将陶瓷浆料注入聚四氟乙烯模具内，从楔形冷冻板的厚端开始降温，浆料在楔形冷冻板形成的垂直和水平双向温度梯度下进行定向凝固；
(3)将浆料完全凝固后形成的冷冻坯体放入冷冻干燥机内进行真空干燥；将干燥得到的层状多孔陶瓷骨架在空气中或真空中或氩气气氛下进行高温烧结，然后采用真空-气体压力浸渗法将熔融金属液浸渗到层状多孔陶瓷骨架中，得到层状陶瓷-金属复合材料；
(4)将浸渗得到的层状陶瓷-金属复合材料置于真空热压炉中，在高于金属熔点温度下，沿垂直于层片方向进行热压，从而在不破坏整体层状结构的前提下，减小金属层厚度，获得高陶瓷含量且成分比例及结构形式都更接近于珍珠贝的陶瓷-金属复合材料。
6.根据权利要求5所述的高体份陶瓷-金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述楔形冷冻板为铜板或铝板，其长度为50～100mm，倾角为5～10°；利用液氮对楔形冷冻板厚端进行降温，降温方式为从室温开始匀速降温直至浆料完全凝固，降温速率为1～5℃/min。
7.根据权利要求5所述的高体份陶瓷-金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述真空冷冻干燥工艺为：温度-40～-80℃，真空度10～20Pa，干燥时间24～48h；所述坯体高温烧结温度为1500～2000℃，时间2～4h，加热和冷却速度4～5℃/min；所述压力浸渗工艺参数为：常温下抽真空至0.1～10Pa后，以5～10℃/min加热至650～850℃，保温10～30min，然后向真空炉内通入高纯氩气至1～5MPa，保温保压5～10min，然后以5℃/min降温至室温；坯体形状和尺寸受控于模具；本发明中所述冷冻坯体为长方体，其边长和高度为(25～30)mm×30mm；但不限于以上尺寸参数。
8.根据权利要求5所述的高体份陶瓷-金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述热压工艺参数为：常温下抽真空至0.1～10Pa后，以5～10℃/min加热至高于金属熔点20～50℃，保温10min，然后沿着垂直于层片方向施加100～200MPa压力，压下量10～15mm，保温保压10min，然后在压力作用下以5℃/min冷却到金属熔点以下，释放掉压力，随炉冷却至室温。
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