[发明专利]一种仿生定向有序叠层复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种仿生定向有序叠层复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、配置冷冻浇铸浆料：浆料包括三仙胶溶液、聚乙烯醇和粉体；粉体为金属、金属化合物、陶瓷中的一种或多种混合；将各组分混合均匀，去气泡，得到冷冻浇铸浆料；步骤二、将冷冻浇铸浆料导入模具中，进行定向冷冻至表面完全冻实，得到固体浆料；步骤三、将固体浆料放入预冻室继续冷冻，然后进行冷冻干燥，取出得到原始胚体；步骤四、将原始胚体进行烧结得到多孔骨架；步骤五、将熔浸材料放置在多孔骨架周围，并进行加热熔浸，结束后在室温下冷却固化得到叠层复合材料；熔浸材料为金属、高分子或高分子与陶瓷的混合材料。本发明可成功制备出仿生叠层材料。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种复合材料，尤其涉及一种仿生定向有序叠层复合材料的制备方法。

背景技术

航空航天对于高性能材料的要求越来越高，高性能的板材意味着更长的服役时间和更加安全的服役环境。高强可以减少的材料的使用量并达到相应的力学性能，符合国家和行业上对于轻量化的需求。良好的韧性则提高了材料部件对于失效折断所需要的功，因此能够很好的保证材料在服役环境下的安全性。

除了对于室温性能的需求，现代工业对于高温性能也提出了严苛的需求。工业燃气轮机与内燃机压缩后温度可达500～600℃。石油化工，制氢加热炉的炉管温度高达1000℃，而作为皇冠上的明珠的发动机，压气机的温度普遍在400～700℃左右。高温材料的开发对于各行业的影响十分重要。

而相关研究表明层状的结构的复合材料，无论是对室温下强度韧性，还是高温下对于抗蠕变性能，都具有积极作用。常用的层状复合材料的制备方式包括真空热压、爆炸焊接、热装轧制等，其层厚很难低成本控制到100μm以下，且设备需求较高，而层薄则具有更多的界面来损耗断裂能量。

发明内容

本发明采用冷冻浇铸耦合热浸工艺，制备出具有设备需求低、产品可控性高、综合性能好等优点的层状复合材料，以突破传统层状复合材料制备工艺的限制。

为实现上述目的，本发明提供一种仿生定向有序叠层复合材料的制备方法，具有这样的特征：包括以下步骤：

步骤一、配置冷冻浇铸浆料：浆料包括三仙胶溶液、聚乙烯醇和粉体，其中三仙胶溶液和聚乙烯醇为增稠剂；聚乙烯醇占粉体质量的1％，粉体占浆料总体积的百分数为20-30％；粉体为金属、金属化合物、陶瓷中的一种或多种混合，其中金属化合物为在烧结温度下可分解为纯金属的化合物；将各组分混合均匀，去气泡，得到冷冻浇铸浆料；

步骤二、将冷冻浇铸浆料导入模具中，进行定向冷冻至表面完全冻实，得到固体浆料；其中定向冷冻指沿一定方向逐渐呈梯度冷冻；

步骤三、将固体浆料放入预冻室继续冷冻至少5h，然后进行冷冻干燥，冷冻干燥24h后取出，得到原始胚体；

步骤四、将原始胚体进行烧结得到多孔骨架，烧结时间为2-5h，烧结温度小于粉体的熔点；

步骤五、将熔浸材料放置在多孔骨架周围，并进行加热熔浸，加热温度高于熔浸材料的熔点、并低于骨架粉末的熔点，结束后在室温下冷却固化得到叠层复合材料；熔浸材料为金属、高分子或高分子与陶瓷的混合材料。

进一步，本发明提供一种仿生定向有序叠层复合材料的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤五中，熔浸材料浸没多孔骨架。

进一步，本发明提供一种仿生定向有序叠层复合材料的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中的冷冻温度为-50℃。

进一步，本发明提供一种仿生定向有序叠层复合材料的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，所述粉末为TiH₂和B₄C。

进一步，本发明提供一种仿生定向有序叠层复合材料的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，所述熔浸材料为树脂。