[发明专利]一种对称层状梯度复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种对称层状梯度复合材料及其制备方法和应用，其中，所述方法采用等离子活化烧结工艺制备钼/氮化硅/钼对称层状梯度复合材料，通过温度场、电场以及压力场的耦合作用，实现了烧结前对粉体颗粒的活化作用，进而在较低烧结温度以及较短烧结时间内完成了梯度复合材料的制备，结合等离子活化烧结方法以及梯度复合材料的梯度化最终快速制得了致密度高、杂质含量少、界面结合好的钼/氮化硅/钼对称层状梯度复合材料。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料制备技术领域，具体涉及一种对称层状梯度复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

现阶段，Si₃N₄是当今工程结构新材料中的重要组成部分，具有抗氧化、耐高温、耐腐蚀等特性，但这种陶瓷材料硬而脆，难以进行机械加工，因而难以制造成复杂形状构件，像Si₃N₄这样高硬度、耐高温的特殊材料，只有与其它材料(尤其是金属材料)连接才能制造出能满足工程需要的构件，几十年来，人们已研究了多种连接方法，常用的包括：活性金属法、热压扩散连接法、过渡液相连接法、反应形成连接法等等。

密封技术被广泛应用于航空航天、核能发电等高新技术领域，以及石油、化工等基础性产业领域，许多机器设备的研发就取决于密封技术，它直接决定了机器设备运行的安全性、可靠性以及耐久性；目前，我国的密封技术水平远远满足不了生产发展的需要，某些关键场合的泄露问题还没有得到彻底解决，所以密封技术有待进一步深入研究。

目前各行业高温密封技术主要包括机械零件之间密封结构设计，有机/无机材料垫圈、密封胶，金属/陶瓷焊接密封，柔性石墨技术等。高温密封技术对高温电池至关重要，良好的密封技术可以保证电池储能质量，避免空气、水对电池关键活性材料的消耗，延长电池使用寿命，降低电池运行成本。Si₃N₄陶瓷由于其良好的高温稳定性、密封绝缘性、耐腐蚀性等性能，是该高温储能系统长效密封绝缘的理想材料。然而，基于传统技术完成的Si₃N₄陶瓷表面金属化会存在明显陶瓷/金属相界面无法实现该储能技术严苛服役环境下长效密封，急需开展新型氮化物陶瓷表面金属化技术的研究。

功能梯度材料是一类组成、结构及性能呈规律性渐变的功能材料，具有很强的可设计性及在极端环境下服役的优势。“梯度复合”概念的提出及其研究结果表明：它为人类寻找在高温、大温度梯度、大机械载荷等极端严苛服役环境下能正常工作的材料，提供了另一重要途径。通过陶瓷/金属梯度复合构成的材料，由于内部界面消失以及避免了结合部位物性不匹配的因素，使得材料不仅能承受极高温度和巨大机械负荷，同时能够在频繁的热冲击与极大温差负荷环境下长期反复工作。

由此可见，从“梯度复合”的概念和思想出发，通过Si₃N₄陶瓷表面金属梯度化结构设计，使得各基元在空间连续梯度分布，内部界面消失，缓和因原材料间热膨胀系数差异而产生的热应力，可实现陶瓷/金属有效连接，显著提高梯度密封材料稳定性以及高温储能系统寿命。

发明内容

为了解决上述瓶颈问题，本发明的目的在于提供一种对称层状梯度复合材料及其制备方法和应用，该方法具有升温速率快、烧结温度低、保温时间短的优点，经该方法能够快速制备出界面结合紧密、致密度高的对称层状梯度复合材料。

本发明提供一种对称层状梯度复合材料，制备所述复合材料的原料包括微米级陶瓷Si₃N₄和Mo；

所述复合材料为叠层结构；将所述Si₃N₄作为中间层，在所述Si₃N₄上、下两端分别设置具有相同质量分数的Si₃N₄和Mo层。

优选的，所述包括以下步骤：