无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法.pdf

一种无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，用于材料制备领域。本发明充分利用天然木材结构所特有的自然分级结构或者分级层次，首先通过有机物在宏观木材结构中的浸渍和组装以及烧制，制备继承和复制了宏观木材分级结构特征的无机陶瓷分级结构，然后将无机陶瓷分级结构与金属进行复合，金属受到无机陶瓷分级结构控制而呈纤维状，最终得到无机陶瓷分级结构/金属复合材料。本发明与传统陶瓷/金属复合材料相比，它们具有更高的机械性能，尤其是具有独特的耐冲击、抗破坏、抗震、耐磨的特性，显示出无机陶瓷分级结构/金属复合材料其潜在的优势。

1、  一种无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征在于，充分利用天然木材结构所特有的自然分级结构或者分级层次，首先通过有机物在宏观木材结构中的浸渍和组装以及烧制，或省略有机物浸渍和组装而直接烧制，制备继承和复制了宏观木材分级结构特征的无机陶瓷分级结构，然后将无机陶瓷分级结构与金属进行复合，金属受到无机陶瓷分级结构控制而呈纤维状，最终得到无机陶瓷分级结构/金属复合材料。

2、  根据权利要求1所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，以下用步骤作进一步的限定：
(1).选取天然木材结构，在真空条件下经有机物浸渍1-60小时，取出干燥或者固化；
(2).将浸渍后的天然木材结构，放入非氧气氛炉中烧制，以0.1～15℃/分的升温速度，在300～3000℃的温度下保温0.5～24小时，制备具有天然木材分级或者分层结构特征的无机陶瓷分级结构；
(3).将上述无机陶瓷分级结构通过真空压力浸渍工艺与金属复合，金属受到无机陶瓷分级结构控制，凝固后在无机陶瓷分级结构中呈现纤维状，制备出无机陶瓷分级结构/金属复合材料。

2、  根据权利要求2所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，步骤2)中所形成的无机陶瓷分级结构继承和复制了步骤1)中宏观木材微观结构基于年轮的分级或者分层特征，或者是继承和复制了步骤1)中宏观木材微观结构的多孔特征，或者是继承和复制了步骤1)中宏观木材外层向木材中心微观结构的渐变特征。

3、  根据权利要求2所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，或者省略步骤1)，直接进行步骤2)，或者进行步骤2)后进行步骤1)，或者步骤1)和步骤2)多次重复进行。

4、  根据权利要求1或2中所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，所述的浸渍为气相浸渍，或者为液相浸渍，浸渍工艺采用超声浸渍，或者采用真空+超声复合浸渍或者通过压力浸渍，或者多次浸渍。

5、  根据权利要求1或2所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，所述的有机物，尤指下列有机物或其衍生物中的一种单独使用或者下列有机物及其衍生物中的多种联合使用：[RAlNH]n，[Cl2Al-N(H)Si(CH3)3]n，[HNBCl]3，((CH3)3Si)2NH，C5H5N.BH3，HNC4H8NH.BH3，[B10H12.H2N-CH2-CH2-NH2]2，H-[CH3SiH]n，[CH3SiH-CH2]，[((CH3)2Si)x(CH3SiC6H5)y]n，[CH3SiHNH]m.[CH3SiN]n，[(CH3)2SiO]m.[CH2SiO1.5]n，[(C4H9N)Ti]n，Zr[BH4]4，有机硅酮，硼酸丁酯。

6、  根据权利要求1或2所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，所述的无机陶瓷分级结构中的无机陶瓷相，指下列陶瓷相中的一种或者几种的混杂物：AlN，BN，BC4N，BC2N，SiC，B4C，SiC-C，B4C-C，SixCyNz，SixCyOz，TiN，TiC，ZrB2，TiB2，Fe3C，Si-C-N，Si-C-N-B，C。

7、  根据权利要求1或2所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，所述的金属，尤指铝及铝合金、铜及铜合金、铁及铁合金、钛及钛合金、镁及镁合金。

8、  根据权利要求1或2所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，所述的金属纤维，为形状、尺寸、分布、表面形貌、表面粗糙度受到无机陶瓷分级结构中管孔形状、尺寸、分布、表面形貌、表面粗糙度控制的金属连续长纤维或短纤维。

9、  根据权利要求1或2所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料，是以下多种复合结构中的一种：无机陶瓷分级结构/金属纤维，无机陶瓷分级结构1/无机陶瓷分级结构2/金属纤维三明治式，无机陶瓷分级结构1/无机陶瓷分级结构2/无机陶瓷分级结构3/金属纤维三明治式，无机陶瓷分级结构1/无机陶瓷分级结构2/无机陶瓷分级结构3/……/金属纤维三明治式。

10、  根据权利要求1或2所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，其特征是，所述的天然木材结构包括针叶树和阔叶树的宏观木材，尤指柞木、橡木、红松、泡桐、山毛榉、柳桉、榆木。

无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别是一种无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，用于材料制备领域。
背景技术
金属材料具有塑性好、成形性能良好等特征，无机材料具有强度高、硬度高等优点。如果把两种材料复合起来即可形成具有两者特性的新型无机/金属复合材料。以往陶瓷—金属复合材料中各组分形状、尺寸、分布是通过人工手段控制的，通过人工手段很难使材料结构达到合理。同人工合成的材料相比，天然生长的木材呈现出一种自然的宏观分级结构构造，在其宏观物理形态中，以生长的年轮为结构特征，不同生长周期所形成的木材结构为每一级(或者为每一层次)，级与级之间以年轮为界限，从而形成了宏观木材的天然宏观分级或者分层结构，这种分级或者分层结构用人工设计和仿生的方法是难以达到的。从其物理结构上来看，宏观木材又是微观尺度(细胞壁)和宏观尺度(框架)的多孔有机综合体。不同木材结构具有不同的分层或者分级结构特征，具有不同的多孔特征，具有不同的孔的形态和结构，这种特点可以用于先进复合材料的结构设计和制备科学。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号：0213750.3，名称为：“生态陶瓷、金属复合材料的制备方法”，是关于金属和天然植物纤维的复合制备的，其特征在于利用天然植物纤维所特有的自然分级结构，采用模板技术，通过各种有机物或者无机物的浸渍等过程工艺控制，由天然植物结构制备得到各种有序多孔无机材料—生态陶瓷，并且进一步将生态陶瓷材料与金属材料复合，从而制备出具有网络互穿结构的生态陶瓷/金属复合材料。但是该专利一是采用天然植物纤维，没有采用天然木材，二是最终形成的复合材料结构为网络互穿结构，金属并没有呈纤维状。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，使制得的无机陶瓷分级结构/金属复合材料继承和复制了宏观木材物理结构中的多孔结构，同时，无机陶瓷分级结构也继承和复制了宏观木材外层向内层结构渐变的特征，具有更高的机械性能，尤其是具有独特的耐冲击、抗破坏、抗震、密度轻的特性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明充分利用天然木材结构所特有的自然分级结构或者分级层次，首先通过不同有机物在宏观木材结构中的浸渍和组装以及烧制，或不通过有机物浸渍和组装而直接烧制，制备继承和复制了宏观木材分级结构特征的无机陶瓷分级结构，然后采用多种工艺将无机陶瓷分级结构与金属进行复合，金属受到无机陶瓷分级结构控制而呈纤维状，最终得到无机陶瓷分级结构/金属复合材料。
以下对本发明方法作进一步描述，方法步骤如下：
1)选取天然木材结构，在真空条件下经有机物浸渍1-60小时，取出干燥或者固化；
2)将浸渍后的天然木材结构，放入非氧气氛炉中烧制，以0.1～15℃/分的升温速度，在300～3000℃的温度下保温0.5～24小时，制备具有天然木材分级或者分层结构特征的无机陶瓷分级结构；
3)将上述无机陶瓷分级结构通过真空压力浸渍工艺与金属复合，金属受到无机陶瓷分级结构控制，凝固后在无机陶瓷分级结构中呈现纤维状，得到无机陶瓷分级结构/金属复合材料。
步骤2)中所形成的无机陶瓷分级结构继承和复制了步骤1)中宏观木材微观结构基于年轮的分级或者分层特征，或者是继承和复制了步骤1)中宏观木材微观结构的多孔特征，或者是继承和复制了步骤1)中宏观木材外层向木材中心微观结构的渐变特征。
在步骤1)和步骤2)中，或者不进行步骤1)，直接进行步骤2)，或者先烧制即步骤2)，后再浸渍即步骤1)，或者步骤1)和步骤2)多次重复进行，以便改善得到的无机陶瓷分级结构体的物理和机械性能。
所述的天然木材结构包括针叶树和阔叶树的宏观木材，尤指柞木、橡木、红松、泡桐、山毛榉、柳桉、榆木等。
所述的浸渍可以是气相浸渍，也可以是液相浸渍，浸渍工艺可以采用超声浸渍，或者采用真空+超声复合浸渍或者通过压力浸渍，或者多次浸渍的方法，以提高有机物和无机物的浸渍率。
所述的有机物(即后续无机陶瓷分级结构的先驱体)尤指下列有机物或其衍生物中的一种单独使用或者下列有机物及其衍生物中的多种联合使用：[RAlNH]n，[Cl2Al-N(H)Si(CH3)3]n，[HNBCl]3，((CH3)3Si)2NH，C5H5N.BH3，HNC4H8NH.BH3，[B1OH12.H2N-CH2-CH2-NH2]2，H-[CH3SiH]n，[CH3SiH-CH2]，[((CH3)2Si)x(CH3SiC6H5)y]n，[CH3SiHNH]M.[CH3SiN]n[(CH3)2SiO]M.[CH2SiO1.5]n，[(C4H9N)Ti]n，Zr[BH4]4，有机硅酮，硼酸丁酯。
所述的无机陶瓷分级结构中的“无机陶瓷”相指下列陶瓷相中的一种或者几种的混杂物：AlN，BN，BC4N，BC2N，SiC，B4C，SiC-C，B4C-C，SixCyNz，SixCyOz，TiN，TiC，ZrB2，TiB2，Fe3C，Si-C-N，Si-C-N-B，C。
所述的金属，尤指铝及铝合金、铜及铜合金、铁及铁合金、钛及钛合金、镁及镁合金。
所述的金属纤维，为形状、尺寸、分布、表面形貌、表面粗糙度受到无机陶瓷分级结构中管孔形状、尺寸、分布、表面形貌、表面粗糙度控制的金属连续长纤维或短纤维。
所述的无机陶瓷分级结构/金属复合材料可以是以下多种复合结构中的一种：无机陶瓷分级结构/金属纤维，无机陶瓷分级结构1/无机陶瓷分级结构2/金属纤维三明治式，无机陶瓷分级结构1/无机陶瓷分级结构2/无机陶瓷分级结构3/金属纤维三明治式，无机陶瓷分级结构1/无机陶瓷分级结构2/无机陶瓷分级结构3/……/金属纤维三明治式。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明的无机陶瓷分级结构/金属复合材料中，无机陶瓷分级结构作为增强体，金属作为其基体。增强体无机陶瓷分级结构完全继承了宏观木材结构地天然分级或者分层特点，继承和复制了宏观木材物理结构中的多孔结构，同时，无机陶瓷分级结构也继承和复制了宏观木材外层向内层结构渐变的特征，与金属进一步复合后，金属填充了无机陶瓷分级结构所具有的孔隙，形成金属纤维，并且形成了外层向内层渐变的陶瓷/金属复合结构。与传统陶瓷/金属复合材料相比，它们具有更高的机械性能，尤其是具有独特的耐冲击、抗破坏、抗震、耐磨的特性，显示出无机陶瓷分级结构/金属复合材料其潜在的优势。
具体实施方式
结合本发明的内容提供以下三种实施例：
实施例一：
选取天然宏观针叶树木材—橡木为原料，不经过有机物浸渍，直接将橡木置入非氧气氛炉中，以5℃/分的速度升温至800℃，保温13小时，得到具有橡木结构特征的无机C陶瓷分级结构。然后，采用真空压力浸渍工艺将无机C陶瓷分级结构与铝合金复合，得到C无机陶瓷分级结构/铝合金复合材料。铝合金在无机C陶瓷分级结构中呈纤维状，其形状、尺寸、分布完全由无机C陶瓷分级结构控制。这种复合材料与传统的陶瓷/金属复合材料比具有稳定的摩擦系数，优良的减磨性能，高的导电导热性能，高的冲击韧性，低的膨胀系数，低的密度。
实施例二：
选取天然宏观针叶树木材—橡木为原料，经有机硅酮在真空压力下浸渍1小时后，固化干燥；将固化干燥的橡木置入非氧气氛炉中，以1℃/分的速度升温至1500℃，保温2小时，得到具有橡木结构特征的无机SiC陶瓷分级结构。然后，采用真空压力浸渍工艺将无机SiC陶瓷分级结构与铝合金复合，得到无机SiC陶瓷分级结构/铝合金复合材料。铝合金在无机SiC陶瓷分级结构中呈纤维状，其形状、尺寸、分布完全由无机SiC陶瓷分级结构控制。这种复合材料与传统的陶瓷/金属复合材料比具有高的弹性模量，高的弯曲压缩强度，优良的耐磨性能，高的冲击韧性，低的膨胀系数，低的密度。
实施例三：
选取天然宏观针叶树木材—柞木为原料，经硼酸丁酯在真空+超声浸渍60小时，然后干燥，将浸渍和干燥后的柞木置入非氧气氛烧结炉中，以15℃/分的速度升温至2500℃，保温24小时，得到具有柞木结构特征的无机C陶瓷分级结构和无机B4C陶瓷分级结构。然后，采用真空压力浸渍工艺将无机C陶瓷分级结构和无机陶瓷B4C分级结构与铜合金复合，得到无机C陶瓷分级结构/无机B4C陶瓷分级结构/铜合金三明治式复合材料。铝合金在无机陶瓷分级结构中呈纤维状，其形状、尺寸、分布完全由无机陶瓷分级结构控制。这种复合材料与传统的陶瓷/金属复合材料比具有高的机械性能，稳定的摩擦系数，优良的减磨耐磨性能，高的导电导热性能，高的冲击韧性，低的膨胀系数，低的密度。
实施例四：
选取天然宏观针叶树木材—红松为原料，首先在650℃温度非氧气氛下处理2小时，然后将处理过的红松用有机物[CH₃SiH-NH]_4n-m[CH₃SiN]_m真空浸渍60小时，然后再在2500℃非氧气氛下处理24小时，得到具有红松结构特征的无机SixCyNz陶瓷分级结构。然后，采用真空压力浸渍工艺将无机陶瓷SixCyNz分级结构与镁合金复合，得到无机SixCyNz陶瓷分级结构/镁合金复合材料。铝合金在无机SixCyNz陶瓷分级结构中呈纤维状，其形状、尺寸、分布完全由无机SixCyNz陶瓷分级结构控制。这种复合材料与传统的陶瓷/金属复合材料比具有高的机械性能，优良的耐磨性能，高的导电导热性能，高的冲击韧性，低的膨胀系数，低的密度。