[发明专利]一种梯度层状B4

说明书

本发明提出了一种梯度层状B₄C‑TiB₂/Al复合材料及其制备方法，整体为实心圆柱形，在径向金属与陶瓷呈连续梯度分布，在轴向呈层状相间分布，外围部分B₄C‑TiB₂陶瓷相所占的体积分数为95～60vol％，且从外向内梯度减少，金属相所占的体积分数为5～40vol％，且从外向内梯度增加；心部B₄C‑TiB₂陶瓷相所占的体积分数为20～0vol％，金属相所占的体积分数为80～100vol％；由外围至心部，陶瓷层的厚度由100～50μm逐渐过渡到10～0μm；金属层的厚度由5～10μm逐渐过渡到200～300μm。本发明复合材料外部具有高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，心部具有高的塑韧性。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种梯度层状B₄C-TiB₂/Al复合材料及其制备方法。

背景技术

碳化硼密度小(2.52g/cm³)、硬度高(仅次于金刚石和立方氮化硼)、熔点高(约2450℃分解)、膨胀系数小(4.5×10^-6/K)且具有优异的中子吸收能力，但碳化硼陶瓷有几处短板：(1)碳化硼晶体结构中大约存在93％的共价键结合，自扩散系数很低，因此纯碳化硼陶瓷烧结致密化十分困难；(2)纯碳化硼陶瓷断裂韧性极低，K_IC＜2.2MPa·m^1/2；(3)碳化硼陶瓷易与部分金属发生化学反应，生成大量有害反应产物相，致使材料的综合性能急剧下降。为了提高碳化硼陶瓷的韧性，并保留其轻质的特点，选用轻质金属(如铝)与其复合以制备低密度与高强韧性兼备的B₄C/Al复合材料具有非常重要的意义。

传统的B₄C/Al复合材料多为均匀复合、弥散强化，这在很大程度上限制了组元之间协同耦合效应的发挥和对环境与功能的积极响应，无法解决强韧性失配等关键难题。大自然为高性能复合材料的设计和制造提供了丰富的灵感。骨骼、竹子和牙齿等材料具有表层坚硬耐磨、内部柔韧和整体质轻的优异性能。研究发现：这类天然材料的化学组成和组织结构在空间上往往呈现梯度变化，同时材料中存在多种平滑过渡的梯度界面。在不同的位置分别强化它们的抗损伤和能量吸收能力，然后通过这种梯度设计将不同位置的力学性能优势良好地结合起来，因而梯度材料具有优异的整体性能。但是，由于B₄C和Al熔体密度接近，传统离心铸造难以实现对材料组分的精准调控而构造出B₄C/Al梯度层状复合材料。

冰模板，也称为冷冻铸造，为制备层状结构提供了一种有效手段。在悬浮液的定向冷冻过程中，生长的冰晶排斥并集中了相邻晶体之间的颗粒和添加剂，这允许在冰升华后在支架中构建层状结构。随后通过真空干燥和高温烧结获得具有一定强度的层状陶瓷坯体。在高温高压下将熔融的金属液浸渗到多孔坯体中的孔隙中作为延性相，就可以制备出层状陶瓷/金属复合材料。然而，目前该技术主要用于制备均质层状结构材料。

专利号CN103895285A，发明名称为“高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法”中公开了高强度层状Al基金属陶瓷复合材料的制备方法：采用冷冻铸造和无压浸渗相结合的工艺制备了微米级层状金属-陶瓷复合材料，虽在一定程度上模仿了贝壳的层状结构，但其组分和密度均一，因而性能也比较单一，无法达到不同部位对性能的选择要求。在工程实际中，许多零部件的不同位置(如外层和心部)对性能(如强度和韧性)的要求是不同的，如磨盘或磨轮，它只需要与物体接触的外表面需要良好的硬度和耐磨性，而心部却要求良好的塑韧性以方便加工和配合。完全均一的组分和结构不仅使复合材料整体塑韧性大大降低、加工难度增大、成本提高，并且在很大程度上不利于组元协同效应的发挥和对环境与功能的积极响应。