CN109809814A - 一种高强度预应力复合陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents

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包亦望
旷峰华
张洪波
万德田
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Abstract

本发明公开了一种高强预应力复合陶瓷基板及其制备方法，属于高性能结构陶瓷领域的陶瓷增强技术。所述预应力陶瓷基板包括由基体和表层形成的多层结构；构成所述表层的表层材料的膨胀系数低于构成所述基体的基体材料的膨胀系数；所述表层材料包覆所述基体材料；所述复合陶瓷基板的厚度为0.127mm～3mm；所述复合陶瓷基板的宽厚比为10～400。本发明通过建立复合陶瓷力学模型，在材料表面设计预应力，通过对材料组分、截面积等关键参数的控制，经过高温同烧过程，实现两种或多种材料复合后强度大幅度提升的目的。

Description

一种高强度预应力复合陶瓷基板及其制备方法
技术领域
本发明涉及高性能结构陶瓷增强技术领域，特别是涉及一种高强预应力复合陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
陶瓷材料因其具有高绝缘特性、优异的耐腐蚀性以及较高的力学强度，被广泛的应用于航空、航天、船舶、兵器、电子、核工业等领域。
陶瓷基板，也称为陶瓷薄板、陶瓷基片，在装甲防弹、人体防护、手机通信、集成电路等领域具有重要应用。但是现有的陶瓷基板产品均存在两方面的问题：一是采用常规的工艺手段难以获得超高强度，难以满足特定服役环境下的性能指标或经济指标；二是制备过程中，特别是加工过程中，在陶瓷材料和陶瓷产品中难以避免的会引入缺陷，进而成为后续使用过程中的薄弱点，导致产品失效，引发灾难性事故。
现有涉及到预应力陶瓷的现有技术，主要包含两类：一是，采用金属与陶瓷复合，使其产生预应力；二是，通过预应力施加装置直接在陶瓷表面施加预应力。现有技术主要是采用金属与陶瓷复合，使其产生预应力；或是通过预应力施加装置直接在陶瓷表面施加预应力。这两种技术存在的共性问题是：均是采用后置预应力模式，束缚条件/装置和陶瓷并未形成统一体，分别属于不同的部件，不属于复合材料体系。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高强预应力复合陶瓷基板及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种高强预应力复合陶瓷基板，所述预应力陶瓷基板包括由基体和表层形成的多层结构；构成所述表层的表层材料的膨胀系数低于构成所述基体的基体材料的膨胀系数；所述表层材料包覆所述基体材料；所述复合陶瓷基板的厚度为0.127mm～3mm；所述复合陶瓷基板的宽厚比为10～400。
进一步地，其中所述基体材料和表层材料的截面积比为0.1～2500，不论是圆形陶瓷基板、方形陶瓷基板或者是异形陶瓷基板，根据其剖视图和常规数学公式或利用专业绘图/计算软件，只要给定横截面图，就可以直接计算截面积比。
进一步地，其中所述表层材料预设的内应力满足如下计算公式：
其中，其中，Es与Ec分别为基体与表层材料的弹性模量；αs与αc分别为基体与表层材料的热膨胀系数；As与Ac分别为基体与表层材料的横截面积；△Tc为高强预应力复合陶瓷基板从烧结温度降到室温时的等效温差。σpre为预设的内应力。
进一步地，其中所述表层材料为单一组分单层或多组分多层。
进一步地，其中所述表层材料和所述基体材料不同，且独立地选自氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、莫来石、堇青石、镁铝尖晶石或其复合物、混合物。
进一步地，其中所述表层材料可以为氧化铝，且所述基体材料为可以氧化锆。
进一步地，其中所述表层材料可以为堇青石，且所述基体材料可以为氧化铝。
进一步地，其中所述表层材料全包覆或局部包覆基体材料。
进一步地，其中所述局部包覆为对称包覆。
本发明还提供了上述高强预应力复合陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
1)基板基体的准备：通过流延成型或凝胶注模成型工艺制成孔隙率为 0～90％的陶瓷基板基体；
2)复合陶瓷基板素坯的制备：首先设定预应力数值，然后通过截面积比的计算公式计算基板表层和基体的截面积比，以此计算基板表层的厚度；然后将基板表层通过浸渍法对基体表面进行包覆；
3)高温同烧：复合陶瓷基板素坯在800℃～1800℃高温下，完成基板表层与基体的高温同烧，然后再同步冷却到室温，形成高强度预应力复合陶瓷基板。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过建立复合陶瓷力学模型，在材料表面设计预应力，通过对材料组分、截面积等关键参数的控制，经过高温同烧过程，实现两种或多种材料复合后强度大幅度提升的目的。本发明制备的高强预应力复合陶瓷具有强度高、缺陷少的优点，且其生产工艺简单，能够满足批量化生产要求。本发明所制备的高强预应力复合陶瓷基板强度高，其弯曲强度相对于表层材料最高可提升227％，相对于基体材料最高可提升32.4％。在保证强度的条件下产品尺寸可以比同类产品更小，可节约资源；本发明的制备工艺简单，基体层和表面层的复合可采用大部分现有陶瓷成型工艺、烧结工艺，适用于工业大批量生产。
附图说明
图1为本发明的高强预应力复合陶瓷基板表层材料的预应力-截面积比典型曲线之一；
图2为本发明的高强预应力复合陶瓷基板表层材料的预应力-截面积比典型曲线之二；
图3为本发明实施例全包覆预应力复合陶瓷基板的结构模型示意图；
图4为本发明实施例局部包覆预应力复合陶瓷基板的结构模型示意图；
其中，基体材料-1；表层材料-2。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
下述实施例中所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。
实施例1：
本实施例提供了一种高强预应力复合陶瓷基板，其表层材料2为氧化铝，弹性模量为390GPa，膨胀系数为7.8×10-6/℃；基体材料1为氧化锆，弹性模量为220GPa，膨胀系数为10.5×10-6/℃，基体材料1为 30mm×30mm×1.8mm的基板，以方形截面计算其截面积比。
首先对表层材料2预设内应力值(即预应力值)，并通过以下公式计算得到相应的截面积比，两者的数值对应关系见表1。
其中，AS与AC分别为基体材料1与表层材料2的横截面积；σpre为预应力；αs与αc分别为基体材料1与表层材料2的热膨胀系数；ES与EC分别为基体与表层材料的弹性模量；△TC为高强预应力复合陶瓷基板从烧结温度降到室温时的等效温差。
上述高强预应力复合陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
1)通过流延成型或凝胶注模成型的工艺将氧化锆制成孔隙率为80％的非致密基板(尺寸为30mm×30mm×1.8mm)；
2)预应力复合陶瓷基板素坯的制备：首先设定预应力数值，然后通过截面积比计算公式计算表层材料2和基体材料1的截面积比(预应力-截面积比曲线见图1)，以此计算表层材料的厚度；然后将氧化铝材料通过浸渍法对氧化锆基板表面进行均匀全包覆；通过浸渍时长在1s～10s之间，获得设计厚度的氧化铝膜层(包覆示意图见图3、图4，其中以图3、图4计算表层材料2与基体材料1的两者截面积比)；
3)高温同烧：复合陶瓷素坯置于高温下烧结，温度为1500℃，时间为3h，完成表层材料与基体材料的高温同烧，然后再同步冷却至室温，形成高强度预应力复合陶瓷基板。
各参数见表1。
表1
本实施例制备的高强度预应力复合陶瓷基板的预应力和截面积比曲线见图1，由图1可知，在一定范围内，预应力值会随着基体材料与表层材料的截面积的比值的增大而增大，超过一定的范围，预应力值不会再增大。
对于1-A实施例，通过相同工艺制备出同等规格的预应力复合陶瓷基板、基体材料以及表层材料，通过双环试验方法测试制备的高强度预应力复合陶瓷基板其弯曲强度为1179.6MPa，基体材料的弯曲强度为963MPa，表层材料的弯曲强度为410MPa，本实施例制备的高强度预应力复合陶瓷基板其弯曲强度较表层材料提升187.7％，相对于基体材料提高22.5％；
对于1-B实施例，通过相同工艺制备出同等规格的预应力复合陶瓷基板、基体材料以及表层材料，通过双环试验方法测试制备的高强度预应力复合陶瓷基板其弯曲强度为1201.4MPa，基体材料的弯曲强度为963MPa，表层材料的弯曲强度为410MPa，本实施例制备的高强度预应力复合陶瓷基板其弯曲强度较表层材料提升193％，相对于基体材料提高25％。
实施例2
本实施例提供了一种高强度预应力复合陶瓷基板，其表层材料2为堇青石，弹性模量为145GPa，膨胀系数为2.1×10-6/℃；基体材料1为氧化铝，弹性模量为390GPa，膨胀系数为7.8×10-6/℃。基体材料1为 30mm×30mm×1.8mm的基板，以矩形截面计算其截面积比。
首先对表层材料预设内应力值(即预应力值)为1134.63MPa，并通过以下公式计算得到相应的截面积比，两者数值对应关系见表2：
其中，AS与AC分别为基体与表层的横截面积；σpre为预应力；αs与αc分别为基体材料1与表层材料2的热膨胀系数；ES与EC分别为基体材料1 与表层材料2的弹性模量；△TC为预应力陶瓷基板从烧结温度降到室温 (20℃)时的等效温差。
上述预应力陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
1)通过流延成型或凝胶注模成型的工艺将氧化铝制成孔隙率为80％的非致密基板(尺寸为30mm×30mm×1.8mm)；
2)预应力复合陶瓷基板素坯的制备：首先设定预应力数值，然后通过截面积比计算公式计算表层材料2和基体材料1的截面积比(预应力-截面积比曲线见图2)，以此计算表层材料2的厚度；然后将堇青石材料通过浸渍法对氧化铝圆柱体表面进行均匀完全包覆；通过浸渍时长在1s～10s之间，获得设计厚度的堇青石膜层(包覆示意图见图3、图4，其中以图3、图4计算表层材料2与基体材料1的两者截面积比)；
3)高温烧结：将复合陶瓷基板素坯置于1500℃下烧结，时间为3h，然后再冷却至室温，形成预应力高强度预应力复合陶瓷基板。
各参数见表2。
表1
本实施例制备的预应力陶瓷的预应力和截面积比曲线见图2。由图2可知，在一定范围内，预应力值会随着基体与表层的截面积的比值的增大而增大，超过一定的范围，预应力值不会再增大。
对于2-A实施例，通过相同工艺制备出同等规格的预应力复合陶瓷基板、基体材料以及表层材料，通过双环试验方法测试制备的高强度预应力复合陶瓷基板其弯曲强度为516.3MPa，基体材料的弯曲强度为410MPa，表层材料的弯曲强度为166MPa，本实施例制备的高强度预应力复合陶瓷基板其弯曲强度较表层材料提升211％，相对于基体材料提高25.9％。
对于2-B实施例，通过相同工艺制备出同等规格的预应力复合陶瓷基板、基体材料以及表层材料，通过双环试验方法测试制备的高强度预应力复合陶瓷基板其弯曲强度为542.9MPa，基体材料的弯曲强度为410MPa，表层材料的弯曲强度为166MPa，本实施例制备的高强度预应力复合陶瓷基板其弯曲强度较表层材料提升227％，相对于基体材料提高32.4％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述预应力陶瓷基板包括由基体和表层形成的多层结构；构成所述表层的表层材料的膨胀系数低于构成所述基体的基体材料的膨胀系数；所述表层材料包覆所述基体材料；所述复合陶瓷基板的厚度为0.127mm～3mm；所述复合陶瓷基板的宽厚比为10～400。
2.根据权利要求1所述的高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述基体材料和表层材料的截面积比为0.1～2500。
3.根据权利要求2所述的高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述表层材料预设的内应力满足如下计算公式：
其中，其中，Es与Ec分别为基体与表层材料的弹性模量；αs与αc分别为基体与表层材料的热膨胀系数；As与Ac分别为基体与表层材料的横截面积；△Tc为高强预应力复合陶瓷基板从烧结温度降到室温时的等效温差。σpre为预设的内应力。
4.根据权利要求1所述的高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述表层材料为单一组分单层或多组分多层。
5.根据权利要求1所述的高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述表层材料和所述基体材料不同，且独立地选自氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、莫来石、堇青石、镁铝尖晶石或其复合物、混合物。
6.根据权利要求5所述的高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述表层材料为氧化铝，且所述基体材料为氧化锆。
7.根据权利要求5所述的高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述表层材料为堇青石，且所述基体材料为氧化铝。
8.根据权利要求6或7所述的高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述表层材料全包覆或局部包覆基体材料。
9.根据权利要求8所述的高强预应力复合陶瓷基板，其特征在于，所述局部包覆为对称包覆。
10.一种权利要求1-8任一项所述的高强预应力复合陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)基板基体的准备：通过流延成型或凝胶注模成型工艺制成孔隙率为0～90％的陶瓷基板基体；
2)复合陶瓷基板素坯的制备：首先设定预应力数值，然后通过截面积比的计算公式计算基板表层和基体的截面积比，以此计算基板表层的厚度；然后将基板表层通过浸渍法对基体表面进行包覆；
3)高温同烧：复合陶瓷基板素坯在800℃～1800℃高温下，完成基板表层与基体的高温同烧，然后再同步冷却至室温，形成高强度预应力复合陶瓷基板。
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