[发明专利]一种高强度、高塑性且耐辐照的Ti-SiOC非晶陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明为一种高强度、高塑性且耐辐照的Ti‑SiOC非晶陶瓷复合材料及其制备方法。该材料以非晶SiOC为基体，在Ti‑SiOC非晶陶瓷复合材料中，Ti元素的原子百分比为10％‑50％。通过添加不同含量的金属元素Ti，在非晶SiOC陶瓷基体中原位生成硬质TiC纳米颗粒增强相，可同时显著提高非晶SiOC陶瓷的强度和塑性变形能力。本发明在经过退火和辐照等后续加工处理后，Ti/非晶SiOC陶瓷基复合材料的强度或塑性可以进一步提高，这大大提高了非晶SiOC陶瓷的应用潜力。

技术领域：

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，具体地说是一种含有硬质TiC纳米颗粒的非晶碳氧化硅(SiOC)陶瓷基纳米复合材料及其制备方法。

背景技术：

研发具有高强度和高塑(韧)性的先进材料是提高工程结构材料的安全性，以及减少环境压力的关键。金属合金凭借其优异的塑韧性和成型加工性，在工程材料和器件材料中有着广泛的应用。金属合金可以通过位错滑移和孪生等方式发生塑性变形，具有优异的塑性变形能力，因此对于金属合金，人们更着重于提高其强度的同时，保持其优异的塑(韧)性。通过在金属基体材料中引入不同类型的界面(晶界、相界和孪晶界)、溶质原子、弥散分布的颗粒等，可以阻碍缺陷(如位错等)的运动，从而显著提高其强度。但是，随着缺陷密度的增加，如晶界，金属合金会经历一个先强化再软化的过程，这主要是由于微观变形机制的改变引起的。例如，当晶粒尺寸减小到10-30nm以下时，金属材料的变形机制由位错滑移变为晶界的运动，从而导致软化现象(反霍尔佩奇效应)。这在一定程度上限制了传统金属合金的强化极限。同时，强化后的金属合金的热稳定性较差，在高温条件下其性能明显降低。晶体陶瓷的强度和热稳定性要远高于金属合金，但晶体陶瓷在断裂前几乎没有明显的塑性变形，难以开动的滑移系和高强度的离子键、共价键使其在受力时表现为突发的脆性断裂。陶瓷材料常通过引入晶须、颗粒以及借助相变、复合等方式增韧。

非晶材料由于具有超高的强度(～G/50)、优异的抗辐照损伤性能和结构稳定性，自20世纪60年代被发现以来就引起了许多研究者的关注。非晶材料不具有晶体结构，即存在短程有序、长程无序，同时也不存在传统的晶体缺陷，这使其具有高强度和优异的抗辐照性能，但是其塑性比较差。非晶陶瓷材料多为离子键和共价键，较高键能的离子键既可以提高其强度，还可以确保其优异的结构稳定性。近期的研究发现，非晶陶瓷在室温下受力时，可以通过自由体积和剪切转变区发生一定的塑性变形。但是，非晶陶瓷在外加应力的作用下极易形成局域剪切带而发生失稳，因此其在室温下的塑性变形能力非常有限(＜2％)，通常表现为突然的脆性断裂，这严重限制了非晶陶瓷在工程上的应用。

相关研究表明，通过设计纳米尺度上的异质结构(如引入第二相纳米颗粒、纳米树枝晶等)，可以有效阻碍单一剪切带的扩展，从而促进多重剪切带的增殖和相互作用，显著降低非晶合金中塑性变形的局域化程度，进而促进塑性变形的均匀化，实现非晶合金的塑韧化。因此，对于非晶陶瓷也可以通过设计微观异质结构，抑制单一剪切带的快速扩展，在不明显降低其强度的前提下，显著提高其塑性变形能力，从而得到高强度、高塑性的非晶陶瓷复合材料。

最近的研究表明非晶碳氧化硅(SiOC)具有优异的抗辐照损伤能力、良好的抗高温蠕变性能和出色的抗氧化能力。非晶SiOC的晶化温度在1300℃以上，同时在600℃和100dpa的辐照条件下仍能保持原有的非晶结构，不会产生明显的空洞及点缺陷等辐照缺陷，这使其有望应用于多种极端服役环境，如表面涂层，核反应堆用材料等。虽然非晶SiOC在室温下具有一定的塑性变形能力，但快速扩展的局部剪切带仍导致其容易发生突然的脆性断裂，其塑性变形能力仍远低于金属合金，这严重限制了非晶SiOC陶瓷的应用。在非晶陶瓷中，同样可以通过引入第二相颗粒，抑制局部剪切带的失稳扩展，促进多重剪切带的生成，提高非晶SiOC陶瓷塑性变形能力。

为此，有研究者采用磁控溅射的方法在非晶SiOC陶瓷中引入纳米尺寸(4-5nm)的纯金属颗粒(例如：纳米纯Cu颗粒，纳米纯Fe颗粒等)显著提高了其塑性变形能力。但是，由此得到的Fe/Cu-SiOC非晶陶瓷复合材料强度会明显的降低，这在一定程度上限制了其在极端环境下的应用。

发明内容：