[其他]制备自支撑陶瓷材料的方法

说明书

概括地讲，本发明涉及自支撑陶瓷材料制备的新方法。按照本发明生产的陶瓷材料具有致密的多晶显微结构，与普通的陶瓷相比它具有强度高和断裂韧性好的特点。

用以制备陶瓷材料的本发明方法是基于这样一种发现，即当金属或合金（下文中也称之为“底基金属”）与其氧化反应产物间不存在固有的相似表面能关系时，可通过从外部有选择地掺入底基金属（如下所述），使一份内容已公开的有关专利说明书中所描述的金属或合金新颖而令人惊异的氧化行为被诱发出来，以便造成良好浸润现象进而使得底基金属穿过其反应产物进行迁移的表面关系。在本发明之前，认为当上述底基金属和它的氧化反应产物间不存在固有的相似表面能关系时，这种相似表面只能通过在底基金属中加入一种或多种掺杂物的合金化的方法得以改善。本发明中令人惊奇地发现，通过有选择地将一种或多种掺杂物加到底基金属的表面，能够诱发产生这种表面能关系，进而局部地引起金属的迁移，并象在先前所引用的有关专利说明中所描述的那样，陶瓷只是在有选择掺杂的底基金属的局部表面上生长。本发明的先进之处在于陶瓷的生长是在底基金属表面一个或多个选择性区域进行而不是无选择地，这使得该工艺操作更为有效，例如，对于陶瓷板的生长（仅仅在底基金属板的一侧表面掺杂）。本发明的先进之处还在于能使陶瓷在底基金属上生长而无需进行合金化，这使得在市售锻压金属和合金上生成涂层的工艺进行起来很容易，如果用另外一种方法则没有合适的掺杂组份。

在本发明中，通过把一种或多种掺杂物覆盖到底基金属的全部或部分表面的方法对底基金属进行了有选择地掺杂。这样的覆盖层可通过涂漆浸渍、丝网遮蔽、电子发射、阴极真空喷镀等方法获得，并且还包括有机或惰性无机粘合剂、媒介物、增稠剂，等等。然后将掺杂后的底基金属暴露在温度高于底基金属熔点的氧化环境中。

在这样的工艺条件下，液态的底基金属从其表面向外氧化，通过芯吸的方法沿着通道向氧化气氛发展，这些通道在其它不渗透的反应产物结构中的能量高的晶界处形成。由于液化金属与氧化气氛反应，新的物质不断地生成。这样不断“生长”的陶瓷结构是金属与氧化气氛反应的产物，并且主要沿着低能量的晶界相互相连。这样产生的材料还含有底基金属或合金的一些成份或全部成份，它们以金属形式分散在整个微观结构中，或相互联接，或相互独立排列，材料所呈现的这种结构或多或少与工艺条件有关，这将在本文中进一步详细阐述。材料的分散均匀性和反应产物/金属结构的致密性似乎解释了产品陶瓷的断裂韧性好和强度高的机理。

本发明的材料能在整个截面上十分均匀地生长变厚，而这一点是迄今为止生产致密陶瓷结构材料的普通工艺所不能做到的。生产这些材料的工艺也避免了在普通的生产陶瓷方法中制备均匀的粉末和压实技术所造成的成本过高。

近年来，陶瓷越来越被人们认识到是一种过去使用金属的结构应用的备选材料。这种取而代之的原因是陶瓷与金属相比具有优良的特性，如耐腐蚀、硬度高、弹性模量高、耐高温等。同时也考虑到这样的事实，即现在许多现代化构件和系统的工程性能极限由于常用材料的性能达不到要求而不能发挥出来。这种未来可望取代的领域的实例包括，发动机零件，热交换器、切割刀具、轴承和耐磨表面，泵和海洋用设备等。

然而，在结构应用方面使陶瓷代替金属成为可能的关键一直是提高陶瓷的强度和断裂韧性的成本效益开发问题，目的在于使它们在所设计的环境中包括抗张载荷、振动和冲击等，使用安全可靠。到目前为止，生产高强度，性能可靠的整体陶瓷的努力已经集中在改进粉末加工技术上，真正使得陶瓷性能在状态、工艺方面都得到改善，而这是很复杂的过程，并且通常成本效益很低。在普通的粉末加工技术中有两个重点：1.利用溶胶、等离子体和激光技术改进生产超细、均匀粉末材料的方法。2.改进压紧压实方法，包括粉末冶金技术，热压和热等压。这些尝试的目的在于制备出致密的，细晶、无裂缝的显微结构，事实上采用这些方法已经制备出具有改进结构性能的陶瓷。然而，即使得到了改进的陶瓷结构，这些普通技术研究的结果却大大增加了陶瓷作为一类工程材料的成本。

陶瓷材料工程方面的其它局限性目前不仅没有得到解决，而且事实上现代陶瓷工艺的改进却加剧了这些局限性，因为现代陶瓷工艺的多变适应性较差。普通的加工方法目的在于压实材料（例如，除去粉末颗粒间的孔洞）这正好与生产大型整体结构的陶瓷相矛盾。这种陶瓷有整体炉衬，带压壳体，锅炉和过热管等等。保压时间和压紧力问题随零件的外形尺寸增加而更加突出。加工设备的压力室壁厚（用于热等压加工）和模具尺寸（用于热压加工）随着陶瓷制品外形尺寸的增加而增加。