[发明专利]一种双重仿生结构叠加的金属陶瓷复合材料制备方法

说明书

本发明公开了一种双重仿生结构叠加的金属陶瓷复合材料制备方法，利用光纤激光器在陶瓷片条正反两面雕刻规则形状阵列的不通透网格，在该陶瓷片条上再叠加一个陶瓷片条并雕刻规则形状阵列的不通透网格，重复上述步骤直至所有的陶瓷片条完成叠放和雕刻，所有陶瓷片条叠加形成螺旋结构；陶瓷片条冷却至常温后进行抛光，并超声清洗和烘干；将陶瓷片条叠放在喷涂有氮化硼涂料的模具中，每两层陶瓷片之间均放置箔片状钎料得到复合材料，箔片状钎料依照陶瓷片条同步旋转扭转角α，将复合材料置于真空炉中加压钎焊；钎焊完成后拆除模具，将复合材料打磨后清洗。制备的金属陶瓷复合材料具备螺旋结构和砖泥结构的双重作用，整体的韧性和损伤容限得以大幅提升。

技术领域

本发明涉及一种双重仿生结构叠加的金属陶瓷复合材料制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

陶瓷材料具有高强度、高模量、高硬度和低密度等优点，但损伤容限差和韧性低，这制约了陶瓷材料的应用范围。为了提高结构陶瓷的损伤容限，以仿生学为基础的陶瓷基复合材料设计得到了广泛关注，其中砖泥结构陶瓷基复合材料的研究最为广泛，这类材料的设计思想是借鉴了贝壳珍珠层特有的文石晶片交错堆叠结构，常见的方法有冷冻冰模板法、共挤出模压法和造粒喷浆包覆法等。这些方法虽然在一定程度下提高了材料的韧性和损伤容限，但这些方法制备的复合材料难以致密化，且陶瓷砖形状大小不可控，难以量产。之后，有学者提出采用粘接法制备陶瓷基仿生复合材料，如白明敏等人于2019年发表的“仿贝壳正六边形Al₂O₃/环氧树脂层状复合材料的制备与表征”一文中提出，将边长为6.8mm的大块Al₂O₃陶瓷块通过环氧树脂粘接固化，从而制备仿生陶瓷基复合材料，虽然结构上模仿了贝壳珍珠层的砖泥结构，但由于单个陶瓷片尺寸太大，且陶瓷片之间相互独立，未能引入实际贝壳中文石晶片间普遍存在的硬连接（一般称之为“桥”），导致复合材料的断裂功相比于纯陶瓷几乎没有明显提升，损伤容限提升很小。

最近，Zian Jia等人2019发表的“Learning from nature: Use materialarchitecture to break the performance tradeoffs”一文中提出，相比于单一仿生结构的复合材料，包含多重仿生结构的叠加复合材料往往具备更加优异的综合力学性能。特别是人们近年来发现并实验证实了螳螂虾锤头整体层次中最具有特色的螺旋结构对材料韧性提升巨大，借鉴螳螂虾锤头的螺旋结构和贝壳的砖泥结构，可将复合材料结构设计成这两种仿生结构的叠加。但受制于材料制备手段，目前多重仿生结构叠加复合材料一般是将软/硬两种聚合物通过3D打印方法复合而成，如：刚性聚合物/类橡胶软聚合物[Kaijin Wu,PNAS, 2020; Sina Askarinejad, Composite Structures, 2018]、玻璃态聚合物/橡胶态聚合物[Zian Jia, Acta, 2019; Zian Jia, Materials Design, 2019]、聚乳酸/热塑性聚氨酯[Kwonhwan Ko, Composite Part B, 2019]，但这种方法尚不适用于金属陶瓷复合材料的制备。

因此，开发一种多重仿生结构叠加的金属陶瓷复合材料制备方法，对于提高陶瓷基复合材料的损伤容限，拓宽陶瓷制品的应用范围具有重要现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种双重仿生结构叠加的金属陶瓷复合材料制备方法。

为达到上述目的，本发明提供一种双重仿生结构叠加的金属陶瓷复合材料制备方法，包括以下步骤：

在光纤激光器中绘制规则形状阵列，规则形状之间呈砖泥结构交错排布；

利用光纤激光器在陶瓷片条正反两面雕刻规则形状阵列的不通透网格，雕刻完成后在该陶瓷片条上再叠加一个陶瓷片条，并对新叠加的陶瓷片条正反两面雕刻规则形状阵列的不通透网格，重复上述步骤直至所有的陶瓷片条完成叠放和雕刻，新叠加的陶瓷片条相对于位于其下方一层的陶瓷片条的长度方向旋转扭转角α，所有陶瓷片条叠加形成螺旋结构；