CN1883934B - 层级材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种材料和包括这种材料的制品。该材料包括多个结构部件(100)。结构部件(100)以一系列递增的结构部件尺寸等级构造。所述系列具有一基本单元尺寸等级(102)和至少一个模块化尺寸等级(104)，并且所述至少一个模块化尺寸等级(104)的部件包括系列中多个下一个更小尺寸等级的部件。基本单元尺寸等级(102)的结构部件包括至少一种体相(103)；并且结构部件(100)在界面(112)处结合在一起。在模块化尺寸等级结构部件(104)内产生的机械损伤(212)在能量上有利于以分布的方式在包括在模块化尺寸等级结构部(104)内的所述多个结构部件中传播。

Description

层级材料

技术领域

本发明涉及在高温下使用的材料。具体而言，本发明涉及用于高温增韧的材料。本发明还涉及制备这种材料的方法。

背景技术

在一些变化大的应用领域中，包括例如宇宙飞行器、发电厂和航空发动机的涡轮设备以及金属成形及玻璃吹制设备，迫切需要能在极高温度下维持足够性能的材料。例如，增加用于驱动燃气轮机的燃烧气体的温度通常能增加涡轮机发电的潜在效率。然而，用于制作涡轮机部件的合金和保护涂层通常在或接近目前涡轮机设备的温度极限下工作，并且即使稍微增加这种涡轮机的燃烧温度也将会使这些材料的例如强度、抗氧化性能和抗蠕变性能的许多性能退化。

许多陶瓷的某些高温性能优于金属，并且因此提供了解决上述合金的局限性的可能方案。与高温合金相比，陶瓷通常强度更大并且更轻，并且更有效地抵抗环境侵蚀和蠕变。然而，由于陶瓷耐损害性能低，所以在许多发动机结构部件中，已经很少见到使用陶瓷材料。陶瓷容易破碎并且当过载时非常容易快速突变失效，尤其是在陶瓷含有裂纹、空穴、空隙、或其它非连续性的机械损伤的情况下。像陶瓷那样的易碎材料在具有极小的至非塑性(永久)的变形时容易失效，并且实现完全破裂所需要的能量相当低，其量值在现有技术中经常被称为“韧性”。另一方面，金属和合金在失效之前一般需要相当高的能量，因为它们出现大量的塑性形变，这阻碍了裂纹和空穴的形成，钝化了现存的裂缝尖端，并且另外还包容损伤从而防止突变失效。由于具有高韧性的材料在失效之前具有“吸收”较高能量的能力，它们的损伤容限比易碎材料大得多。利用了陶瓷优点的材料为了更加有用，还必须具有提高整体韧性和损伤容限的一些机制。

为了在结合有陶瓷的材料中兼顾强度和韧性，最常用的策略之一是开发复合材料，其中多种材料以优化它们的优点同时最小化它们的缺点的方式被结合。人们已经开发出几类使用陶瓷的复合材料。例如，金属基复合物包括例如铝或镍合金的坚韧且可延展的金属，金属中包括坚硬、强度大但易碎的陶瓷，其对较软的金属进行加强。陶瓷的结合增加了复合物的强度，而可延展金属基的存在维持了所需要的韧性和损伤容限的水平。因而，在金属基复合物中，用于吸收应力从而增韧的机制是金属基的塑性形变。

陶瓷基复合物在基体中不包括韧性金属相，并且因此通常使用不同于金属基复合物的增韧机理。例如，在纤维增强陶瓷基复合物中，可以设计材料的界面层比相应的含有纤维和基体的材料更弱。在这种情况下，与在整体的陶瓷中通常观察到的形成并快速、突变地传播一条大裂纹不同，通过沿着纤维界面形成许多细小裂纹并传播，通过纤维在基体中的摩擦滑动，可以吸收应变能，并延迟失效。因此，陶瓷基复合材料试图在没有塑性形变的情况下通过结合允许失效更慢、更为渐进的失效机制来实现韧化。

尽管传统的陶瓷基复合物(CMC’s)在韧性和损伤容限方面与单片陶瓷材料相比具有改进，但不利于充分利用陶瓷材料所提供的优点的问题仍然存在。复合材料通常是其性能仅仅与该混合物中性能最差的组分一样的混合物。例如在纤维材料中糟糕的抗氧化性能导致整个复合物的抗氧化性能差，因为增强纤维的优先退化对整体材料的性能起主要影响。显然，需要提高材料的耐高温性能和足够的损伤容限性能以适应所需的应用。

发明内容

本发明的实施例解决了这种和其它需要。一个实施例是一种包括多个结构部件的材料。该结构部件以一系列递增的结构部件尺寸等级来构造。所述系列具有一基本单元尺寸等级和至少一个模块化尺寸等级，并且所述至少一个模块化尺寸等级的部件包括系列中的多个下一个更小尺寸等级的部件。基本单元尺寸等级的结构部件包括至少一种体相(bulk phase)，并且结构部件在界面处结合在一起。在模块化尺寸等级结构部件中产生的机械损伤在能量方面有利于以分布的方式在包括在模块化尺寸等级的结构部件中的多个结构部件中传播。

第二个实施例是包括上述材料的制品。

本发明的一方面提供了一种材料，其包括：多个结构部件，结构部件以一系列递增的结构部件的尺寸等级构造，该系列具有一基本单元尺寸等级和至少一个模块化尺寸等级，其中至少一个模块化尺寸等级的结构部件包括该系列中多个下一个更小尺寸等级的结构部件；其中基本单元尺寸等级的结构部件包括至少一种体相；其中结构部件在界面处结合在一起，并且其中将模块化尺寸等级的结构部件结合在一起的界面的韧性大于将包括在模块化尺寸等级的结构部件内的多个结构部件结合在一起的界面的韧性，并且其中将模块化尺寸等级的结构部件结合在一起的界面的韧性小于至少一种体相的韧性，且其中在模块化尺寸等级的结构部件内产生的机械损伤在能量上有利于以分布的方式在包括在模块化尺寸等级的结构部件内的多个结构部件中传播。

优选地，界面选自由机械互锁界面、化学键合界面及其组合所组成的组。

优选地，界面包括化学键合界面，并且其中界面包括至少一种界面相。

优选地，结合一第一尺寸等级的结构部件的界面包括不同于结合一第二尺寸等级的结构部件的界面的材料。

优选地，界面相包括选自由陶瓷、碳、及其混合物所组成的组的一种材料。

优选地，界面相包括六边形氮化硼、磷酸镧、铝氧化物、碳化硅钛(Ti₃SiC₂)、二氧化硅、氧化锆以及任何前述材料的混合物和复合物中的至少一种材料。

优选地，化学键合界面包括烧结材料。

优选地，至少一种体相包括陶瓷、有机材料和金属中的至少一种。

优选地，陶瓷包括氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硅酸盐及其混合物中的至少一种。

优选地，陶瓷包括碳化硅、碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钼、碳化钽、氮化硅、氮氧化铝硅、氮化铝、氮化钛、二硼化钛、二硅化钼、氧化铝和硅酸铝。

优选地，陶瓷包括玻璃陶瓷。

本发明的另一方面提供了一种材料，其包括：多个结构部件，结构部件以一系列递增的结构部件尺寸等级构造，该系列具有一基本单元尺寸等级和至少一个模块化尺寸等级，其中至少一个模块化尺寸等级的结构部件包括该系列中多个下一个更小尺寸等级的结构部件；其中基本单元尺寸等级的结构部件包括至少一种包括氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硅酸盐及其混合物中的至少一种的体相；其中结构部件在包括至少一种界面相的化学键合界面处结合在一起，界面相包括陶瓷、碳及其混合物；其中结合模块化尺寸等级的结构部件的界面的韧性大于将包括在模块化尺寸等级的结构部件内的多个结构部件结合在一起的界面的韧性，并且其中将模块化尺寸等级的结构部件结合在一起的界面的韧性小于至少一种体相的韧性。

优选地，该材料用于制作燃气轮机机组的部件。

优选地，陶瓷包括玻璃陶瓷。

附图说明

当参考附图阅读以下详细说明时，能更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中整个附图中相同的符号表示相同的部件，其中：

图1和2是本发明的示例性实施例的横截面示意图；

图3是根据本发明某些实施例的模拟的二级层级材料的横截面示意图；

图4是模拟的一级层级材料的横截面示意图；和

图5是对图3和图4中所示材料的计算机模拟测试中产生的负荷-位移数据的曲线图。

具体实施方式

参考附图，并且尤其是参考图1，应当理解：举例说明只是为了描述本发明示例性的实施例而不是旨在限制本发明。图1是根据本发明的材料的示意性图示。该材料包含多个以一系列递增的结构部件尺寸等级构造的结构部件100。根据本发明实施例，一个结构部件是组织本发明的材料的一个结构单元，其可类比为构成所述材料的“积木”。本文中使用的术语“尺寸等级”是指部件的等级，其中这种等级的每一部件具有整个等级的平均特征长度的25％之内的特征长度。特征长度是结构部件的对于所有尺寸等级被统一地用来表征结构部件的任何的尺寸，例如，具有圆形横截面的部件的直径，或具有矩形横截面的部件的纵向或横向侧边(leg)的长度。

结构部件尺寸等级构成的这个系列具有基本单元尺寸等级102和至少一种模块化尺寸等级104。基本单元尺寸等级在材料中包括具有最小特征长度的结构部件。因此，基本单元尺寸等级102的部件是材料的基本结构部件。任何结构均适合用作基本单元尺寸等级的结构部件，作为示例包括，传统复合层压过程中使用的纤维；通常在光刻法过程中制作得到的沉积材料带；和在分子自组装过程中使用的自组装分子簇。基本单元尺寸等级的结构部件包括至少一个体相103。在一些实施例中，体相103包括陶瓷、有机材料和金属中的至少一种。在某些实施例中，体相103包括陶瓷材料，并且陶瓷材料包括硼化物、氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硅酸盐及其混合物和复合物中的至少一种。合适的陶瓷材料的具体实例包括但不局限于：碳化硅、碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钼、碳化钽、氮化硅、氮氧化铝硅、氮化铝、氮化钛、二硼化钛、二硅化钼、氧化铝和硅酸铝。

至少一个模块化尺寸等级104的部件包括该系列中的下一个更小尺寸等级的多个部件。合适的模块化尺寸等级的结构部件的实例包括但不局限于：包含多个共同挤压得到的纤维的细丝；包含多个上述细丝的材料的层压块；包含多个用光刻法或其它构图沉积法制造的材料带的层；包含多个上述层的材料的块；从自组装分子簇的自发组装形成的圆柱形管；包含多个上述管的细丝。因此，本发明的材料是多级的层级材料，其中将基本单元尺寸等级的结构部件组装以形成较大的模块化结构部件，而这些模块化结构部件在一些实施例中又被组装来形成更大的模块化结构部件，依此类推，直到形成系列中最大的尺寸等级。

在图1所述的示例性实施例中，多个结构部件100在横截面中被图示为一系列砖状部件，但是可以理解为：每一块“砖”实际上可以例如像纤维或材料带那样，在垂直于所示的横截面投影方向半无限地延伸。一个典型的最大尺寸等级106的“砖”包括多个下一个更小尺寸等级108的“砖”，而该尺寸等级108的“砖”又包括多个基本尺寸等级110的“砖”。因此，这个示例性实施例是三级的层级材料，因为材料的结构部件构造成一个系列的三种递增的结构部件尺寸等级。相反，一般的砖墙可以被认为是单级的“等级”，因为它包括仅仅具有一种尺寸等级的结构部件(砖)。

本领域技术人员可以理解为：在本发明的实施例中，在逐渐递增的结构部件尺寸等级的系列中，对于可允许的尺寸等级的数目没有理论上限，但是实践中可能由于所选的制造方法而出现限制。在某些实施例中，系列中尺寸等级的数目至少为2，而在具体的实施例中，系列中尺寸等级的数目为3到5。如下所述，具有多于1个尺寸等级能够明显降低损伤在整个材料中的传播并且防止突变失效，提供了在失效之前探测损伤的机会，这点在传统陶瓷材料中通常是不能获得的。

基本单元尺寸等级的结构部件的尺寸由用于形成这些部件的工艺所允许的控制程度决定。例如常用的分子自组装技术能制作平均特征长度在约10纳米量级的结构部件，如分子簇，而传统纤维制造方法和光刻技术的最小特征长度通常局限于微米长度尺度。另外，材料中结构部件的最大尺寸等级仅仅受到由该材料所制作的部件的实际尺寸的限制。

在具体的实施例中，例如图1所示，在一给定的材料示例中，基本上所有结构部件100，也就是结构部件100的大于80％，具有大体上相似的形状，尽管这一条件对于材料的总体可操作性而言并不是必要的。结构部件100的形状特征在于横截面几何形状，例如，图1所示的结构部件100的矩形形状。术语“大体上相同的形状”在这里是指结构部件在尺寸上不同，但是一个尺寸等级的部件的总体几何形状与不同尺寸等级的部件相比较，其变化不会大到被本领域技术人员认为是不同几何形状的程度。例如，如图1所示部件的砖状横截面，即使是在不同尺寸等级的部件中发现例如对精确直角的微小偏离和角部的一些小的圆角，也会被本领域技术人员认为是大体上相似的矩形。多种横截面形状适合用作结构部件100，包括但不局限于矩形横截面和圆形横截面。

系列中所有尺寸等级的结构部件100在界面112处结合在一起，所述界面112例如为机械互锁界面、化学键合界面和利用机械互锁和化学键合将结构部件结合在一起的界面。界面112一般在不止一个维度上结合结构部件100，例如在所有三个维度上结合结构部件的界面。化学键合界面包括至少一个与体相103相区别的界面相，它在结构部件100的结合中用作粘合剂。在某些些实施例中，用于将结构部件100结合在一起的至少一个界面相包括选自下组中的一种材料：陶瓷、玻璃陶瓷、碳及其组合。适用于界面相的陶瓷材料的实例包括但不局限于六边形的氮化硼、磷酸镧、铝的氧化物(氧化铝)、碳化硅钛(Ti₃SiC₂)、二氧化硅、氧化锆以及任何上述材料的混合物和复合物。在某些实施例中，无论被结合的结构部件的尺寸等级如何，整个材料的界面相相同。在另外一些实施例中，如图2所示，结合第一尺寸等级204的结构部件的界面202包括不同于结合第二尺寸等级208的结构部件的界面206的材料。应当理解：这里使用的术语“第一”和“第二”不是指部件尺寸等级系列中的尺寸等级的绝对或相对的位置，而是仅仅用来区分一个尺寸等级与另一个尺寸等级，并不表示它们在系列中位置。在特殊实施例中，每一尺寸等级的结构部件通过界面结合在一起，该界面含有结合该尺寸等级的界面专用的材料。例如，在具有三个结构部件的尺寸等级的材料中，基本单元尺寸等级的部件通过薄第一材料的界面结合在一起，仅包括这些基本单元部件的模块化尺寸等级(也就是，该系列中下一个尺寸等级)的部件通过含有第二材料的界面结合在一起，而最大尺寸等级部件通过第三界面材料结合在一起，这样，第一、第二、第三界面材料彼此不同。

制作界面相可以方便地通过包括例如涂覆方法和渗透方法的几种已知方法中的任何一种来实现。使用涂覆方法用希望用作界面相的材料包裹结构部件，并且然后将经涂覆的部件堆压在一起，使得涂层材料分布在堆压的结构部件的空隙中。例如，用希望的界面材料涂覆单体陶瓷纤维，然后仍然处于湿态(即，仍然含有能被机械处理的粘结剂和可塑剂)的多个经涂覆的纤维被共同挤压在一起，以形成包括通过界面相(涂覆在纤维上的材料)结合在一起的多个基本单元结构部件(单体纤维)的细丝。这种细丝，根据本发明的实施例，是一模块化尺寸等级的部件，其又用希望作为第二界面相的材料涂覆，并且多个这种经涂覆的细丝共同挤压成包括通过界面相(第二界面相)结合在一起的多个结构部件(较小的细丝)的更大尺寸等级的细丝。在其它实施例中，界面材料通过在光刻工艺中选择性沉积所需材料来制作，有时预先通过选择性蚀刻法形成接受界面材料的界面区域。或者，在某些实施例中，界面材料通过渗入贯穿材料的多孔网络而分布在所需位置，例如，体相是中孔(mesoporous)陶瓷氧化物，界面材料经过真空渗透作用渗入氧化物的中孔网络中。涂覆方法包括但不局限于：化学气相沉积、物理气相沉积、喷涂或浸涂、溶胶凝胶处理等。

另一方面，机械互锁界面不依赖于界面相的存在来实现结构部件的结合，而是依赖于结构部件表面之间的机械作用形成和维持这种结合。在某些实施例中，将机械互锁界面设计成具有粗糙特征，称为粗糙度，它们通过顺序的滑动和互锁活动提供非弹性形变。界面处顺序的滑动和互锁受到材料体积的横向约束，导致伴有应变硬化的残余位移。沿着界面的滑动过程使应力集中(stress concentrations)得到缓解，并且因此延迟了显著裂纹的形成，同时应变硬化行为使得沿着相邻界面的多重位点被激活并且参与该过程。在这些实施例中，沿着界面的粗糙度的幅度和波长被设计成大到足以形成多重位点，但是不致于大到引起幅度足以导致应力集中和材料失效的局部互锁活动。例如现有技术中已知，当界面在0.01-0.1的摩擦系数下发生滑动时，为了兼顾上述因素，粗糙度必须具有约20-50nm的幅度并以约50-200nm的波长间隔开。在珍珠母(也称为珠母层)的结构中可以发现这种互锁界面的实例。压实(但未烧结的)粉末和共同挤压的纤维(没有使用界面相添加剂)是通过所设计材料中的机械互锁界面结合的结构部件的实例。

等级结构与特定体相的结合及界面相材料的选择在本发明的材料中形成有利的条件，其中，在模块化尺寸等级的结构部件中最初产生的机械损伤，例如裂纹、空穴、孔隙等，在能量上有利于(也就是需要更少的功)以分布的方式在包括在模块化尺寸等级的结构部件中的多个结构部件中传播。本发明的一些实施例通过控制界面112的性能实现了这种分布式失效模式。参考图2，在一些实施例中，将模块化尺寸等级的结构部件208结合在一起的界面206的韧性大于将包括在模块化尺寸等级的结构部件208内的多个结构部件204结合在一起的界面202的韧性。如上所述，韧性是在本领域中众所周知的术语，指导致材料完全破裂所需要的功，也称为能量。因此，在材料中最容易破裂的、损伤最可能沿着其传播的界面是结合基本单元尺寸等级的部件204的界面，而随着通过界面结合在一起的结构部件的尺寸等级的增加，界面经常通过材料选择而被设计成具有更大韧性。另外，将模块化尺寸等级的结构部件208结合在一起的界面206的韧性小于至少一个体相210的韧性，因此材料韧性最大的部分，也就是最不可能传播损伤的区域，是包括基本单元尺寸等级的结构部件210的材料。通过这种方式，损伤212在能量上有利于沿着由最小尺寸等级结构部件的界面202形成的高度曲折的路径传播，而不是像传统陶瓷材料中常见的那样直接穿过材料传播，从而需要更多的能量才能实现整体材料的完全破裂。通过裂纹钝化和结构部件之间众多界面的偏转来遏制突然的裂纹传播，从而提供分布更广的失效模式，使材料即使受损也能保持其完整性。这样，本发明的材料利用了陶瓷材料的优点，但是与这些材料通常显示的韧性相比具有明显增强的韧性。

界面112(图1)的性能如韧性可以利用界面112的化学组成，利用它们的物理结构，或其结合来控制。例如，用含有氮化硼(BN)的界面将基体单元尺寸等级部件结合在一起称为模块化尺寸等级部件。根据本发明的实施例，模块化尺寸等级部件在含有氧化铝和BN混合物(韧性大于BN)的界面上结合在一起，形成在能量上有利于损伤沿着BN界面传播的材料。

也可以利用界面的结构来控制界面韧性。例如，在一些实施例中，界面112包括具有预定孔隙率水平的材料。在特定实施例中，界面112的孔隙率水平作为对应于界面112的结构部件100的尺寸等级的一函数而变化。例如，在一些实施例中，化学键合界面(也就是，那些包括界面相的界面)包括烧结材料。本领域技术人员应当理解：通过控制烧结参数，例如烧结温度、时间和初始材料，可以将这个实施例中的烧结材料的孔隙率控制到希望的水平，从而将界面的孔隙率控制到希望的水平。使用涂覆和渗透方法在结构部件上分布要用作界面相的材料情况下，根据已知的关系控制工艺参数以控制孔隙率水平，从而获得希望的结果。通常，界面空隙率越高，界面强度越小且韧性越小，因为在界面上形成结合点的材料较少。

本发明的其它实施例包括含有本发明材料(如这里所述的材料)的制品。在具体的实施例中，制品包含燃气轮机机组的部件，包括但不局限于：涡轮叶片、翼片、护罩和燃烧器部件。

根据本发明实施例的材料和制品是使用本领域技术人员已知的多种技术制造的，这些技术包括但不局限于自组装技术、传统层压技术和光刻技术。分子自组装技术是“倒置”的制作方法，其中具有强极性特征的化学初级粒子(precursor)自动排列成根据初级粒子的分子间静电相互作用组装的可预测的、周期性结构。根据初级粒子的选择，这种组装可以是自发的(由于自然发生的相互作用)，或者可以通过施加外部电场、磁场、或其它场来激发，称为“导向自组装”技术。一些技术结合使用自发和导向自组装来激发结构组装成有用的三维几何形状，例如纤维、薄片和球。与本发明实施例相符合的多相结构，例如其中包含至少一个体相和至少一个界面相的材料，可以通过将体相组装成中孔“框架”并然后用上述界面相渗透这些孔来实现，其中上述实现方法是一非限制性的示例。也可以如上所述，利用现有技术中已知的几种合适的技术，将界面相材料涂覆到包括至少一种体相的颗粒表面或组装件上。在工艺程序的各步骤中，本领域技术人员应当认识到，可以用各种转化步骤使初级粒子转变成中间体或最终复合物。转化步骤可以包括暴露于热量、其它化合物、电磁辐射和适合于实现化学组成改变的其它外部作用中。分子自组装方法的结果是，由分子初级粒子形成三维层级材料，并且能通过包括但不局限于挤压、注模等的几种适合方法中的任何一种来形成希望的形状。

用于加工复合材料的层压技术在本领域中是已知的，其适合用于制作本发明的材料。作为非限制性实例，具有各种各样横截面形状中任何一种的单体陶瓷纤维或陶瓷棒，具有分布于纤维间空隙中的第一界面材料(例如，在挤压之前用界面材料涂覆纤维或棒)，其被共同挤压形成细丝，其中每根细丝包括通过第一界面材料结合在一起的多个纤维。然后将这些细丝涂覆一层第二界面材料，当将细丝层压在一起、共同挤压或者以其它方式加工以形成系列中的下一级结构部件时，第二界面材料用作将细丝结合在一起的界面材料。第二界面材料被选择为具有符合上述本发明某些实施例的诸如韧性的性能，以促进损伤在细丝中包括的结构部件中分布(例如，沿着由第一界面材料界定的路径)。

光刻法和其它平版印刷技术是适合用于制造本发明材料的另一类已知的制作技术。这些方法结合使用目标蚀刻和选择性的材料沉积在基体上形成希望的图案。图案可以是两维或三维的，并可以通过将构图重复所需的次数来形成希望的厚度。适当使用已知的选择性沉积和蚀刻技术能制作多种结构部件和相应的界面。例如，在基体上沉积一层体相材料，然后选择性蚀刻形成一系列紧密间隔的体相的带。这些带是所制作材料中的基本单元尺寸等级的结构部件。然后将第一界面材料选择性沉积在这些带之间的空隙中。用第一界面相结合在一起的这体相的层是模块化尺寸等级的结构部件。然后用韧性比第一界面相更高但是比体相韧性低的第二界面材料涂覆该层，然后象在前一层中一样，将另一层体相/第一界面材料沉积在第二界面材料的顶部。重复构图以形成希望厚度的层级材料。

实施例

以下实施例用于进一步描述和解释本发明的实施例，无论如何不应该理解为对本发明的范围的限制。

参考图3，计算机模拟被设计用来对本发明实施例的材料500的行为进行建模。基本单元尺寸等级的结构部件502在横截面上是矩形砖，并且这些砖502被组织成矩形的模块化尺寸等级结构部件504，使得每一模块化尺寸部件504包含5层(course)，每层含有6块砖502。将砖502结合在一起的第一界面层材料508被模制成韧性为将模块化尺寸等级部件504结合在一起的第二界面材料510的韧性的0.1倍，并且为砖502本身的韧性的0.01倍。在模拟中模建的材料500由5层模块化尺寸等级结构部件504组成，每层有三个部件504。该模型模拟了施加到材料500上的单轴应力状态512，其中模型材料一端的边界被固定，并且在相反一端施加恒定的位移，逐步增加固定位移的量。在每一步中，计算该相反端处的响应负荷，并逐步增加位移直到模型显示出材料失效。为了比较，参考图4，模建了第二模拟材料600，其中，第二材料600仅仅由砖602和将砖结合在一起的界面材料604组成。对于这个对比材料600，除了这个材料600没有本发明材料中的模块化尺寸等级结构部件504之外，边界条件相同。这样，第二模拟材料600模建了单级“层级”，而第一材料500模建了二级材料层级。

模拟结果清楚显示，本发明的材料比单级层级材料更具优越性。图5示出了二级层级材料500(图3)和单级材料600(图4)的负荷-位移数据，二级层级材料500的数据标记为曲线A，单级材料600的数据标记为曲线B。曲线A清楚显示出比曲线B更高的强度(曲线的相对高度)和韧性(曲线下的面积)，展现了由于本发明材料的层级材料和材料选择而获得的优越的机械性能。

虽然在本文中描述了多种实施例，从说明书应当理解：本领域技术人员可以对本发明进行各种元素的组合、变形、等同、或改进，并且仍然落在本发明所附权利要求书所界定的范围内。

Claims (14)

1.一种材料，其包括：

多个结构部件，所述结构部件以一系列递增的结构部件的尺寸等级构造，所述系列具有一基本单元尺寸等级和至少一个模块化尺寸等级，其中所述至少一个模块化尺寸等级的结构部件包括所述系列中多个下一个更小尺寸等级的结构部件；

其中所述基本单元尺寸等级的所述结构部件包括至少一种体相；

其中所述结构部件在界面处结合在一起，并且

其中将模块化尺寸等级的结构部件结合在一起的界面的韧性大于将包括在所述模块化尺寸等级的结构部件内的所述多个结构部件结合在一起的界面的韧性，

并且其中将所述模块化尺寸等级的结构部件结合在一起的界面的韧性小于所述至少一种体相的韧性，且

其中在模块化尺寸等级的结构部件内产生的机械损伤在能量上有利于以分布的方式在包括在所述模块化尺寸等级的结构部件内的所述多个结构部件中传播。

2.根据权利要求1的材料，其中所述界面选自由机械互锁界面、化学键合界面及其组合所组成的组。

3.根据权利要求2的材料，其中所述界面包括化学键合界面，并且其中所述界面包括至少一种界面相。

4.根据权利要求3的材料，其中结合一第一尺寸等级的结构部件的所述界面包括不同于结合一第二尺寸等级的结构部件的界面的材料。

5.根据权利要求3的材料，其中所述界面相包括选自由陶瓷、碳、及其混合物所组成的组的一种材料。

6.根据权利要求5的材料，其中所述界面相包括六边形氮化硼、磷酸镧、铝氧化物、碳化硅钛(Ti₃SiC₂)、二氧化硅、氧化锆以及任何前述材料的混合物和复合物中的至少一种材料。

7.根据权利要求2的材料，其中所述化学键合界面包括烧结材料。

8.根据权利要求1的材料，其中所述至少一种体相包括陶瓷、有机材料和金属中的至少一种。

9.根据权利要求8的材料，其中所述陶瓷包括氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硅酸盐及其混合物中的至少一种。

10.根据权利要求9的材料，其中所述陶瓷包括碳化硅、碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钼、碳化钽、氮化硅、氮氧化铝硅、氮化铝、氮化钛、二硼化钛、二硅化钼、氧化铝和硅酸铝。

11.根据权利要求5的材料，其中所述陶瓷包括玻璃陶瓷。

12.一种材料，其包括：

多个结构部件，所述结构部件以一系列递增的结构部件尺寸等级构造，所述系列具有一基本单元尺寸等级和至少一个模块化尺寸等级，其中所述至少一个模块化尺寸等级的结构部件包括所述系列中多个下一个更小尺寸等级的结构部件；

其中所述基本单元尺寸等级的所述结构部件包括至少一种包括氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硅酸盐及其混合物中的至少一种的体相；

其中所述结构部件在包括至少一种界面相的化学键合界面处结合在一起，所述界面相包括陶瓷、碳及其混合物；

其中结合模块化尺寸等级的结构部件的所述界面的韧性大于将包括在所述模块化尺寸等级的结构部件内的所述多个结构部件结合在一起的所述界面的韧性，

并且其中将所述模块化尺寸等级的结构部件结合在一起的所述界面的所述韧性小于所述至少一种体相的韧性。

13.根据权利要求12的材料，其中所述材料用于制作燃气轮机机组的部件。

14.根据权利要求12的材料，其中所述陶瓷包括玻璃陶瓷。

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