[发明专利]具有叠层结构的TiC陶瓷及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有叠层结构的TiC陶瓷及其制备方法，具有叠层结构的TiC陶瓷从下至上依次包括Ti层、Ti‑C渐变过渡层、C层、Ti‑C渐变过渡层、Ti层……Ti‑C渐变过渡层、C层、Ti‑C渐变过渡层、Ti层。该具有叠层结构的TiC陶瓷，兼具钛的韧性和碳的硬度，且具备良好的延展性、耐热性、耐磨性、抗冲击性能。本发明通过3D打印设备按照Ti层‑C层‑Ti层‑C层‑Ti层的层叠顺序逐层进行打印，并通过超强脉冲能量束或粒子束对Ti层与C层之间的界面进行快速地冷加工处理，形成结合Ti层与C层的Ti‑C渐变过渡层，可克服钛纳米材料与碳纳米材料的化学相容性和浸润性差的问题，能够较好地实现钛纳米材料与碳纳米材料复合，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的TiC陶瓷。

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合材料技术领域，特别地，涉及一种具有叠层结构的TiC陶瓷及其制备方法。

背景技术

钛金属及其合金具有轻质、高强、良好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用于航空、医疗等领域。碳纳米材料具有优异的力学、导热、导电等性能，且其强度模量与导热率远高于现有金属材料，因此碳纳米材料成为金属基陶瓷复合材料增强体的最佳选择之一。将碳纳米材料和钛合金复合，仅需通过调整碳纳米增强相的含量和分布等，即可大幅提高钛基体的力学强度、导电、导热等性能，获得性能优异的结构功能一体化复合材料。

当前，在将碳纳米材料与钛基体复合过程中，由于钛材料与碳纳米材料的化学相容性与浸润性差，容易在钛纳米材料与碳纳米材料的界面处反应生成很多缺陷，如TiCx等，严重降低碳-钛复合材料的性能。并且，碳纳米材料的热膨胀系数与钛的热膨胀系数差异较大，容易引起在碳纳米材料与钛之间形成的复合界面产生热力学失配，造成应力集中，导致碳纳米材料与钛之间形成的界面产生裂纹或空隙，从而引起碳纳米材料-钛复合材料的硬度、抗冲击、耐磨、耐疲劳等性能发生严重下降。

发明内容

本发明实施例的目的之一在于提供一种兼具有钛的韧性和碳的硬度的具有叠层结构的TiC陶瓷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种具有叠层结构的TiC陶瓷，包括若干层层叠设置的Ti层、形成于相邻两层Ti层之间的C层，以及结合所述Ti层与所述C层的Ti-C渐变过渡层；所述Ti层为由3D打印设备打印的钛纳米层，所述C层为由3D打印设备打印的碳纳米层；所述Ti-C渐变过渡层为由强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对所述Ti层与所述C层之间的界面进行冷加工处理形成的连续渐变的过渡层。

进一步地，所述钛纳米层的厚度为10^-7mm～10^-4mm。

进一步地，所述碳纳米层的厚度为10^-7mm～10^-4mm。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果之一：

本发明实施例中的具有叠层结构的TiC陶瓷，通过3D打印设备按照Ti层-C层-Ti层-C层-Ti层的层叠顺序逐层进行打印，并通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束辐照Ti层与C层之间的界面，以对Ti层与C层之间的界面进行快速地冷加工处理，在Ti层与C层之间形成结合Ti层与C层的Ti-C渐变过渡层。这样，可克服钛纳米材料与碳纳米材料的化学相容性与浸润性差的问题，能够较好地实现碳纳米材料-钛纳米材料复合，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的TiC陶瓷。本发明实施例中的具有叠层结构的TiC陶瓷，兼具钛的韧性和碳纳米材料的硬度，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。

本发明实施例的目的之二在于提供一种可克服钛材料与碳纳米材料的化学相容性较差，能够较好地实现碳纳米材料-钛纳米材料复合，并能够较好地控制碳纳米材料与钛纳米材料之间形成的界面反应，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的TiC陶瓷的制备方法。