CN115636673A

CN115636673A - 一种具有预应力增强力学性能的复合陶瓷及其低温制备方法

Info

Publication number: CN115636673A
Application number: CN202211280795.7A
Authority: CN
Inventors: 傅正义; 朱成龙; 卢嗣乾; 平航; 刘尹; 钟明明; 谢浩; 王为民; 王皓
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2042-10-19
Also published as: CN115636673B

Abstract

本发明公开了一种具有预应力增强力学性能的复合陶瓷及其低温制备方法。该方法包括以下步骤：步骤(1)将海藻酸钠溶液和氮化硼混合均匀得到溶液A；步骤(2)将溶液A加入冰模板模具中成型，再进行冷冻干燥得到样品B；步骤(3)将样品B压片得到薄膜材料；步骤(4)将薄膜材料浸泡在酒精中浸泡后干燥即得。本发明还公开了利用薄膜材料进一步制备块体材料的方法。本发明制备的薄膜材料在酒精浸泡后强度从40MPa提高到了80MPa，证明薄膜材料拉伸性能得到显著提升。所制备的块体材料在酒精浸泡后抗弯强度从150MPa提高到170MPa，断裂应变从0.75％提高到1.98％。而模量相应的从19.6GPa减少到12.5GPa表明由于预应力的存在材料的抗弯性能和韧性得到更好的提升。

Description

一种具有预应力增强力学性能的复合陶瓷及其低温制备方法

技术领域

本发明属于含有天然高分子的复合陶瓷材料技术领域，特别涉及具有预应力增强力学性能的复合材料及其低温制备方法。

背景技术

大自然中存在着很多兼具韧性和强度的轻质高强材料，比如海洋中常见的贝壳，它的主要成分为含有95％wt的碳酸钙和5％wt的有机物，但是贝壳的断裂韧性相比于碳酸钙矿物提高了3000倍。这种独特的现象主要归因为贝壳具有独有的“砖-泥结构”。即碳酸钙文石片构成了“砖块”，在文石片之间有蛋白质和其它有机物进行填充，这种独特的结构赋予了材料优异的断裂韧性。科学家们采用了各种方法来模拟这种独特的“砖-泥结构”，包括真空抽滤，蒸发诱导，层层自组装目前亟需一种兼具强度和韧性且具有良好综合力学性能的复合陶瓷材料的制备方法。

发明内容

针对上述技术方案，本发明的目的在于提供一种具有预应力增强力学性能的复合陶瓷及其低温制备方法。本发明旨在解决冰模板方法低温制备陶瓷材料力学性能差的问题，通过将预应力引入到材料中进而增强力学性能。该方法原料易于获取，合成方法简便，通过在酒精溶液中浸泡脱水使有机物链收缩产生预应力进而提高材料的力学性能。该方法为解决低温制备具有优异力学性能复合陶瓷材料提供了新的思路。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种具有预应力增强力学性能的复合陶瓷低温制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)将海藻酸钠溶液和氮化硼混合均匀得到溶液A；

步骤(2)将溶液A加入冰模板模具中成型，再进行冷冻干燥得到样品B；

步骤(3)将样品B压片得到薄膜材料；

步骤(4)将薄膜材料浸泡在酒精中浸泡后干燥即得。

进一步，所述步骤(1)中，海藻酸钠的质量浓度为1-3％。

进一步，所述步骤(1)中，海藻酸钠与氮化硼质量比为1:1。

进一步，所述步骤(2)中，冰模板模具由聚四氟乙烯材料形成的中空方形腔室，并在腔室底板下设置铜板构成。

进一步，所述步骤(2)中，冷冻干燥条件为真空度＜10Pa，温度＜-48℃，干燥持续时间为48h。

进一步，所述步骤(3)中，压片压力为25-40MPa,保压时间为1-5min。

进一步，所述步骤(4)中，酒精浓度为99％，浸泡时间3h。

本发明所述方法产生预应力原理为在酒精溶液浸泡后由于脱水使得有机物链产生收缩，进而使分布在海藻酸钠分子链周围的氮化硼薄片受到了挤压预应力。

第二方面，本发明提供一种利用第一方面所述方法制备的具有预应力增强力学性能的复合陶瓷。

第三方面，本发明提供一种具有预应力增强力学性能特点的复合陶瓷块体材料，由在第二方面所述的复合陶瓷的表面旋凃壳聚糖-海藻酸钠的混合溶液，再经叠加后热压成型获得。

进一步，所述混合溶液中，壳聚糖含量为1-2％wt，海藻酸钠为1-2％wt。

本发明的有益效果如下：

1.本发明制备的薄膜材料在酒精浸泡后强度从40MPa提高到了80MPa，证明薄膜材料拉伸性能得到显著提升。

2.本发明制备的块体材料在酒精浸泡后抗弯强度从150MPa提高到170MPa，断裂应变从0.75％提高到1.98％。而模量相应的从19.6GPa减少到12.5GPa表明由于预应力的存在材料的抗弯性能和韧性得到更好的提升。

3.通过将冰模板低温制备复合陶瓷材料，再通过酒精浸泡脱水收缩有机物分子链形成预应力以增加材料的力学性能，本发明制备方法成本较低原料易得，操作简便。

附图说明

图1为氮化硼片SEM图；

图2为实施例1冷冻干燥后样品的SEM图，即步骤2得到的样品；

图3为酒精浸泡前后薄膜材料XRD对比；对照为浸泡前，酒精浸泡后；

图4为薄膜样品在不同溶液中浸泡产生收缩应力；

图5为酒精浸泡前后薄膜材料拉伸性能；对照为浸泡前，酒精浸泡后；

图6为酒精浸泡前后薄膜样品拉伸测试后断面SEM图，图6a为酒精浸泡前的断面，图6b为酒精浸泡后的断面；

图7为酒精浸泡前后块体材料抗弯性能；对照为浸泡前，酒精浸泡后；

图8为酒精浸泡前后块体样品抗弯测试后断面光学图片，图8a为酒精浸泡前抗弯测试样品断面，图8b为酒精浸泡后抗弯测试后样品断面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

实施例1

一种酒精浸泡产生预应力进而增强复合陶瓷材料力学性能的工艺方法，包括以下步骤：

步骤1)：将海藻酸钠溶液和商业用氮化硼按照一定比例混合均匀；

步骤2)：将步骤1)中溶液导入自制冰模板模具中成型，再进行冷冻干燥得到样品；

步骤3)：将步骤2)得到的样品使用压片机施加一定的压力，得到薄膜材料；

步骤4)：步骤3)得到的薄膜材料两端固定夹持浸泡在酒精中浸泡一段时间后取出干燥即得。

按照上述方案，步骤1)中所述海藻酸钠溶液质量浓度为2％，海藻酸钠与氮化硼质量比为1:1。

按照上述方案，步骤2)中冰模板模具为长宽为50mm，厚度为10mm内腔的聚四氟乙烯，底部配有黄铜作为导热介质，冷冻干燥条件为真空度＜10Pa，温度＜-48℃，干燥持续时间为48h。

按照上述方案，步骤3)中压片机加压压力为35MPa，保压时间为2min，压制后薄膜尺寸为45(±1)x45(±1)x0.4(±0.1)mm。

按照上述方案，步骤4)中实验组中酒精浓度为99％，浸泡时间3h。

实施例2

制备块体材料，步骤如下：

将实施例1的薄膜材料按照一定的尺寸裁剪后，在薄膜表面旋凃壳聚糖-海藻酸钠的混合溶液，然后将6块薄膜材料堆叠，再经热压成型即得块体材料。

按照上述方案，壳聚糖-海藻酸钠的混合溶液中，壳聚糖的含量为2％wt，海藻酸钠的含量为2％wt。

按照上述方案，旋凃工艺转速为2000rpm，旋涂时间30s。

按照上述方案，热压成型工艺为80℃下，100MPa保压12h。

对比实施例1

制备方法同实施例1，区别在于，没有进行酒精浸泡处理，也即无步骤4)。

对比实施例2

制备方法同实施例2，区别在于，薄膜材料选用的是对比实施例1的材料。

实施例3

1、形貌表征测试：

图1为氮化硼的SEM图，图2为实施例1步骤2得到的样品。从图1可以看出氮化硼薄片形貌较为均匀，尺寸大小分布在2-3um。图2则证明经过冰模板成型后材料内部形成了片层分布的有序结构，与贝壳砖泥结构相似。

2、XRD图：

图3为酒精浸泡前后的XRD对比图。从图中可以看出经过酒精浸泡并不会改变氮化硼的物相组成，XRD衍射峰与BN标准卡片对比重叠程度很好。

3、力学性能测试：

(1)收缩应力测试：

图4示出了实施例步骤3)制备得到的薄膜材料在不同溶液中浸泡的收缩力测试图。从图中可以看出，酒精浸泡后收缩力大幅提高，随着浸泡时间先增加再小幅度下降再稳步上升，最终趋于平衡，达到约0.9MPa。

(2)拉伸性能测试：

使用万能力学试验机测试材料的拉伸性能。

图5示出了薄膜材料酒精浸泡前后的拉伸性能对比图。从图中可以看出，在应变相同的情况，酒精浸泡后拉伸强度得到大幅提高。最终酒精浸泡后的断裂应变在10％左右，而对照组只有8％，证明材料韧性得到了提高。

图6示出了酒精浸泡前后薄膜材料拉断后的断面SEM图。从图中可以看出对照组和酒精浸泡样品都暴露出了由氮化硼和有机物组成的片层有序结构，但是图6b表明酒精浸泡后片层间距更加小，更加致密。

(3)抗弯性能测试：

块体材料使用切割机将块体加工成特定的尺寸用于三点弯曲测试抗弯性能。样品加工的尺寸为宽度为1.9mm,厚度为1.75mm,三点弯曲跨距为16mm，加载速率为0.5mm/min。

图7示出了酒精浸泡前后的块体材料的抗弯性能曲线图。从图中可以看出，由于内部预应力的存在，在测试过程中需要先克服掉内部预应力，因此导致最终酒精浸泡的样品弯曲应变更高，从对照组的0.75％提高到1.98％，相应的模量从对照组的19.6GPa减少到12.5GPa，最终抗弯强度从150MPa提高到170MPa。更进一步表明酒精浸泡后样品不仅强度得到提高而且韧性同样也得到了提升。

图8示出了酒精浸泡前后的块体材料的断面光学图片。从图中可以看出相比于对照组，酒精浸泡的样品在裂纹扩展边缘产生了一些细小的微裂纹，有利于能量耗散，避免应力集中，提高了材料韧性。

由上述测试可知，本发明所制备的薄膜材料和块体材料的力学性能均得到大幅提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有预应力增强力学性能的复合陶瓷低温制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)将海藻酸钠溶液和氮化硼混合均匀得到溶液A；

步骤(3)将样品B压片得到薄膜材料；

步骤(4)将薄膜材料浸泡在酒精中浸泡后干燥即得。

2.根据权利要求1所述的复合陶瓷低温制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，海藻酸钠的质量浓度为1-3％。

3.根据权利要求1所述的复合陶瓷低温制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，海藻酸钠与氮化硼质量比为1:1。

4.根据权利要求1所述的复合陶瓷低温制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，冰模板模具由聚四氟乙烯材料形成的中空方形腔室，并在腔室底板下设置铜板构成。

5.根据权利要求1所述的复合陶瓷低温制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，冷冻干燥条件为真空度＜10Pa，温度＜-48℃，干燥持续时间为48h。

6.根据权利要求1所述的复合陶瓷低温制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，压片压力为25-40MPa,保压时间为1-5min。

7.根据权利要求1所述的复合陶瓷低温制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，酒精浓度为99％，浸泡时间3h。

8.一种具有预应力增强力学性能特点的复合陶瓷，其特征在于：采用权利要求1-7任一项所述的方法制得。

9.一种具有预应力增强力学性能特点的复合陶瓷块体材料，其特征在于：由在权利要求8所述的复合陶瓷的表面旋凃壳聚糖-海藻酸钠的混合溶液，再经叠加后热压成型获得。

10.根据权利要求9所述的复合陶瓷块体材料，其特征在于：所述混合溶液中，壳聚糖含量为1-2％wt，海藻酸钠为1-2％wt。