[发明专利]一种基于纳米尺度残余应变优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于纳米尺度残余应变优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法，该材料包括：陶瓷基框架；与所述陶瓷基框架相复合的聚合物；所述陶瓷基框架包括陶瓷基体和杂质纳米基元，所述杂质纳米基元嵌入陶瓷基体晶粒中和/或存在于陶瓷基体晶粒之间。该方法主要步骤为：将杂质纳米基元与陶瓷基体共沉积生长到有序框架上，从而使杂质纳米基元嵌入陶瓷基体中，利用真空辅助将聚合物灌入得到的陶瓷框架内，通过热压法，可得到致密的层状陶瓷基复合材料。试验证实，杂质纳米基元嵌入到陶瓷晶体内部，诱导陶瓷基体产生残余应变，有效提高了陶瓷基元的强度，从而使陶瓷基复合材料的多项力学性能提升，利于在生物医学、航空航天、军事防护领域中的应用。

技术领域

本发明属于结构陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种基于纳米尺度残余应变优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法。

背景技术

由于环境的限制，自然界大多数生物体大多只利用环境中易得的天然物质，例如脆性的碳酸钙、磷酸钙及柔性的多糖、蛋白质等来构筑材料。通常，生物结构材料例如珍珠母、牙齿、骨骼等，兼具高强度和高韧性的优点。这些生物结构材料在成分上一般包括脆性矿物和柔性的高分子，但是材料的力学性能却远远超过单个组成成分，以及由类似成分构成的人工复合物，因此对这类材料的研究越来越受到重视。

目前报道的仿生陶瓷基材料已经具备一些简单的生物结构，例如珍珠母的层状结构。例如，文献《贝壳珍珠层结构仿生复合材料研究》(工程塑料应用，黄玉松等，2008年，第36卷，第10期，21-25页)中，将处理过的氧化铝陶瓷薄片与EP玻纤布预浸料按照其特定的结构铺层，用平板硫化机热压成型，制得热固性树脂基贝壳珍珠层结构仿生复合材料。

大多数仿生陶瓷基材料使用的是氧化铝陶瓷片等强度较强的基元，表现出了超过生物结构矿物的强度和韧性。然而，仿生陶瓷基材料的断裂韧性相比于其使用的基元的断裂韧性提高倍率不足10，而天然生物结构材料的断裂韧性提高倍率可以高达40，这说明仿生陶瓷基复合材料的断裂韧性仍有待进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种基于纳米尺度残余应变优化的仿生陶瓷基材料及其制备方法，本发明提供的仿生陶瓷基材料具有更高的断裂韧性等力学性能，利于应用。

本发明提供一种基于纳米尺度残余应变优化的仿生陶瓷基材料，包括：

陶瓷基框架；

与所述陶瓷基框架相复合的聚合物；

所述陶瓷基框架包括陶瓷基体和杂质纳米基元，所述杂质纳米基元嵌入陶瓷基体晶粒中和/或存在于陶瓷基体晶粒之间。

本发明提供的仿生陶瓷基材料也可称仿生结构陶瓷材料，其各项力学性能优异，可用于生物医学、航空航天、军事防护等领域。

天然贝壳是由交替的矿物层和有机层组成，这种结构称为“砖-泥”结构。在本发明一些实施例中，所述的仿生结构陶瓷材料可以为仿贝壳的生物结构材料。所述的仿生结构陶瓷材料包括：陶瓷基框架和相复合的聚合物。所述陶瓷基框架作为仿贝壳“砖-泥”结构中的“砖”，即具有层状结构；而所述的聚合物主要作用是作为该结构中的“泥”，与陶瓷基框架有一定作用力。

在本发明另一些实施例中，所述的仿生结构陶瓷材料也可以为仿其他生物结构、多级次跨尺度的陶瓷材料。例如，所述仿生结构陶瓷材料中，所述陶瓷基框架可以具有多孔结构，也可以为层状且多孔的结构。