專利名稱：無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法，特別是一種無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，用于材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬材料具有塑性好、成形性能良好等特征，無機(jī)材料具有強(qiáng)度高、硬度高等優(yōu)點(diǎn)。如果把兩種材料復(fù)合起來即可形成具有兩者特性的新型無機(jī)/金屬復(fù)合材料。以往陶瓷—金屬復(fù)合材料中各組分形狀、尺寸、分布是通過人工手段控制的，通過人工手段很難使材料結(jié)構(gòu)達(dá)到合理。同人工合成的材料相比，天然生長的木材呈現(xiàn)出一種自然的宏觀分級結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在其宏觀物理形態(tài)中，以生長的年輪為結(jié)構(gòu)特征，不同生長周期所形成的木材結(jié)構(gòu)為每一級(或者為每一層次)，級與級之間以年輪為界限，從而形成了宏觀木材的天然宏觀分級或者分層結(jié)構(gòu)，這種分級或者分層結(jié)構(gòu)用人工設(shè)計和仿生的方法是難以達(dá)到的。從其物理結(jié)構(gòu)上來看，宏觀木材又是微觀尺度(細(xì)胞壁)和宏觀尺度(框架)的多孔有機(jī)綜合體。不同木材結(jié)構(gòu)具有不同的分層或者分級結(jié)構(gòu)特征，具有不同的多孔特征，具有不同的孔的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，這種特點(diǎn)可以用于先進(jìn)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備科學(xué)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?213750.3，名稱為“生態(tài)陶瓷、金屬復(fù)合材料的制備方法”，是關(guān)于金屬和天然植物纖維的復(fù)合制備的，其特征在于利用天然植物纖維所特有的自然分級結(jié)構(gòu)，采用模板技術(shù)，通過各種有機(jī)物或者無機(jī)物的浸漬等過程工藝控制，由天然植物結(jié)構(gòu)制備得到各種有序多孔無機(jī)材料—生態(tài)陶瓷，并且進(jìn)一步將生態(tài)陶瓷材料與金屬材料復(fù)合，從而制備出具有網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的生態(tài)陶瓷/金屬復(fù)合材料。但是該專利一是采用天然植物纖維，沒有采用天然木材，二是最終形成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)，金屬并沒有呈纖維狀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，使制得的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料繼承和復(fù)制了宏觀木材物理結(jié)構(gòu)中的多孔結(jié)構(gòu)，同時，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)也繼承和復(fù)制了宏觀木材外層向內(nèi)層結(jié)構(gòu)漸變的特征，具有更高的機(jī)械性能，尤其是具有獨(dú)特的耐沖擊、抗破壞、抗震、密度輕的特性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明充分利用天然木材結(jié)構(gòu)所特有的自然分級結(jié)構(gòu)或者分級層次，首先通過不同有機(jī)物在宏觀木材結(jié)構(gòu)中的浸漬和組裝以及燒制，或不通過有機(jī)物浸漬和組裝而直接燒制，制備繼承和復(fù)制了宏觀木材分級結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)，然后采用多種工藝將無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)與金屬進(jìn)行復(fù)合，金屬受到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制而呈纖維狀，最終得到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料。
以下對本發(fā)明方法作進(jìn)一步描述，方法步驟如下1)選取天然木材結(jié)構(gòu)，在真空條件下經(jīng)有機(jī)物浸漬1-60小時，取出干燥或者固化；2)將浸漬后的天然木材結(jié)構(gòu)，放入非氧氣氛爐中燒制，以0.1～15℃/分的升溫速度，在300～3000℃的溫度下保溫0.5～24小時，制備具有天然木材分級或者分層結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)；3)將上述無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)通過真空壓力浸漬工藝與金屬復(fù)合，金屬受到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制，凝固后在無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)纖維狀，得到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料。
步驟2)中所形成的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)繼承和復(fù)制了步驟1)中宏觀木材微觀結(jié)構(gòu)基于年輪的分級或者分層特征，或者是繼承和復(fù)制了步驟1)中宏觀木材微觀結(jié)構(gòu)的多孔特征，或者是繼承和復(fù)制了步驟1)中宏觀木材外層向木材中心微觀結(jié)構(gòu)的漸變特征。
在步驟1)和步驟2)中，或者不進(jìn)行步驟1)，直接進(jìn)行步驟2)，或者先燒制即步驟2)，后再浸漬即步驟1)，或者步驟1)和步驟2)多次重復(fù)進(jìn)行，以便改善得到的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)體的物理和機(jī)械性能。
所述的天然木材結(jié)構(gòu)包括針葉樹和闊葉樹的宏觀木材，尤指柞木、橡木、紅松、泡桐、山毛櫸、柳桉、榆木等。
所述的浸漬可以是氣相浸漬，也可以是液相浸漬，浸漬工藝可以采用超聲浸漬，或者采用真空+超聲復(fù)合浸漬或者通過壓力浸漬，或者多次浸漬的方法，以提高有機(jī)物和無機(jī)物的浸漬率。
所述的有機(jī)物(即后續(xù)無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)的先驅(qū)體)尤指下列有機(jī)物或其衍生物中的一種單獨(dú)使用或者下列有機(jī)物及其衍生物中的多種聯(lián)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，有機(jī)硅酮，硼酸丁酯。
所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)中的“無機(jī)陶瓷”相指下列陶瓷相中的一種或者幾種的混雜物AlN，BN，BC4N，BC2N，SiC，B4C，SiC-C，B4C-C，SixCyNz，SixCyOz，TiN，TiC，ZrB2，TiB2，F(xiàn)e3C，Si-C-N，Si-C-N-B，C。
所述的金屬，尤指鋁及鋁合金、銅及銅合金、鐵及鐵合金、鈦及鈦合金、鎂及鎂合金。
所述的金屬纖維，為形狀、尺寸、分布、表面形貌、表面粗糙度受到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)中管孔形狀、尺寸、分布、表面形貌、表面粗糙度控制的金屬連續(xù)長纖維或短纖維。
所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料可以是以下多種復(fù)合結(jié)構(gòu)中的一種無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬纖維，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)1/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)2/金屬纖維三明治式，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)1/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)2/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)3/金屬纖維三明治式，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)1/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)2/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)3/……/金屬纖維三明治式。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料中，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)體，金屬作為其基體。增強(qiáng)體無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)完全繼承了宏觀木材結(jié)構(gòu)的天然分級或者分層特點(diǎn)，繼承和復(fù)制了宏觀木材物理結(jié)構(gòu)中的多孔結(jié)構(gòu)，同時，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)也繼承和復(fù)制了宏觀木材外層向內(nèi)層結(jié)構(gòu)漸變的特征，與金屬進(jìn)一步復(fù)合后，金屬填充了無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)所具有的孔隙，形成金屬纖維，并且形成了外層向內(nèi)層漸變的陶瓷/金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)陶瓷/金屬復(fù)合材料相比，它們具有更高的機(jī)械性能，尤其是具有獨(dú)特的耐沖擊、抗破壞、抗震、耐磨的特性，顯示出無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料其潛在的優(yōu)勢。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下三種實(shí)施例實(shí)施例一選取天然宏觀針葉樹木材—橡木為原料，不經(jīng)過有機(jī)物浸漬，直接將橡木置入非氧氣氛爐中，以5℃/分的速度升溫至800℃，保溫13小時，得到具有橡木結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)C陶瓷分級結(jié)構(gòu)。然后，采用真空壓力浸漬工藝將無機(jī)C陶瓷分級結(jié)構(gòu)與鋁合金復(fù)合，得到C無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/鋁合金復(fù)合材料。鋁合金在無機(jī)C陶瓷分級結(jié)構(gòu)中呈纖維狀，其形狀、尺寸、分布完全由無機(jī)C陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制。這種復(fù)合材料與傳統(tǒng)的陶瓷/金屬復(fù)合材料比具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，優(yōu)良的減磨性能，高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，高的沖擊韌性，低的膨脹系數(shù)，低的密度。
實(shí)施例二選取天然宏觀針葉樹木材—橡木為原料，經(jīng)有機(jī)硅酮在真空壓力下浸漬1小時后，固化干燥；將固化干燥的橡木置入非氧氣氛爐中，以1℃/分的速度升溫至1500℃，保溫2小時，得到具有橡木結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)SiC陶瓷分級結(jié)構(gòu)。然后，采用真空壓力浸漬工藝將無機(jī)SiC陶瓷分級結(jié)構(gòu)與鋁合金復(fù)合，得到無機(jī)SiC陶瓷分級結(jié)構(gòu)/鋁合金復(fù)合材料。鋁合金在無機(jī)SiC陶瓷分級結(jié)構(gòu)中呈纖維狀，其形狀、尺寸、分布完全由無機(jī)SiC陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制。這種復(fù)合材料與傳統(tǒng)的陶瓷/金屬復(fù)合材料比具有高的彈性模量，高的彎曲壓縮強(qiáng)度，優(yōu)良的耐磨性能，高的沖擊韌性，低的膨脹系數(shù)，低的密度。
實(shí)施例三選取天然宏觀針葉樹木材—柞木為原料，經(jīng)硼酸丁酯在真空+超聲浸漬60小時，然后干燥，將浸漬和干燥后的柞木置入非氧氣氛燒結(jié)爐中，以15℃/分的速度升溫至2500℃，保溫24小時，得到具有柞木結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)C陶瓷分級結(jié)構(gòu)和無機(jī)B4C陶瓷分級結(jié)構(gòu)。然后，采用真空壓力浸漬工藝將無機(jī)C陶瓷分級結(jié)構(gòu)和無機(jī)陶瓷B4C分級結(jié)構(gòu)與銅合金復(fù)合，得到無機(jī)C陶瓷分級結(jié)構(gòu)/無機(jī)B4C陶瓷分級結(jié)構(gòu)/銅合金三明治式復(fù)合材料。鋁合金在無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)中呈纖維狀，其形狀、尺寸、分布完全由無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制。這種復(fù)合材料與傳統(tǒng)的陶瓷/金屬復(fù)合材料比具有高的機(jī)械性能，穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，優(yōu)良的減磨耐磨性能，高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，高的沖擊韌性，低的膨脹系數(shù)，低的密度。
實(shí)施例四選取天然宏觀針葉樹木材—紅松為原料，首先在650℃溫度非氧氣氛下處理2小時，然后將處理過的紅松用有機(jī)物[CH3SiH-NH]4n-m[CH3SiN]m真空浸漬60小時，然后再在2500℃非氧氣氛下處理24小時，得到具有紅松結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)SixCyNz陶瓷分級結(jié)構(gòu)。然后，采用真空壓力浸漬工藝將無機(jī)陶瓷SixCyNz分級結(jié)構(gòu)與鎂合金復(fù)合，得到無機(jī)SixCyNz陶瓷分級結(jié)構(gòu)/鎂合金復(fù)合材料。鋁合金在無機(jī)SixCyNz陶瓷分級結(jié)構(gòu)中呈纖維狀，其形狀、尺寸、分布完全由無機(jī)SixCyNz陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制。這種復(fù)合材料與傳統(tǒng)的陶瓷/金屬復(fù)合材料比具有高的機(jī)械性能，優(yōu)良的耐磨性能，高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，高的沖擊韌性，低的膨脹系數(shù)，低的密度。
權(quán)利要求
1.一種無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，充分利用天然木材結(jié)構(gòu)所特有的自然分級結(jié)構(gòu)或者分級層次，首先通過有機(jī)物在宏觀木材結(jié)構(gòu)中的浸漬和組裝以及燒制，或省略有機(jī)物浸漬和組裝而直接燒制，制備繼承和復(fù)制了宏觀木材分級結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)，然后將無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)與金屬進(jìn)行復(fù)合，金屬受到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制而呈纖維狀，最終得到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，以下用步驟作進(jìn)一步的限定(1).選取天然木材結(jié)構(gòu)，在真空條件下經(jīng)有機(jī)物浸漬1-60小時，取出干燥或者固化；(2).將浸漬后的天然木材結(jié)構(gòu)，放入非氧氣氛爐中燒制，以0.1～15℃/分的升溫速度，在300～3000℃的溫度下保溫0.5～24小時，制備具有天然木材分級或者分層結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)；(3).將上述無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)通過真空壓力浸漬工藝與金屬復(fù)合，金屬受到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制，凝固后在無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)纖維狀，制備出無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，步驟2)中所形成的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)繼承和復(fù)制了步驟1)中宏觀木材微觀結(jié)構(gòu)基于年輪的分級或者分層特征，或者是繼承和復(fù)制了步驟1)中宏觀木材微觀結(jié)構(gòu)的多孔特征，或者是繼承和復(fù)制了步驟1)中宏觀木材外層向木材中心微觀結(jié)構(gòu)的漸變特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，或者省略步驟1)，直接進(jìn)行步驟2)，或者進(jìn)行步驟2)后進(jìn)行步驟1)，或者步驟1)和步驟2)多次重復(fù)進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的浸漬為氣相浸漬，或者為液相浸漬，浸漬工藝采用超聲浸漬，或者采用真空+超聲復(fù)合浸漬或者通過壓力浸漬，或者多次浸漬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的有機(jī)物，尤指下列有機(jī)物或其衍生物中的一種單獨(dú)使用或者下列有機(jī)物及其衍生物中的多種聯(lián)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，有機(jī)硅酮，硼酸丁酯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)中的無機(jī)陶瓷相，指下列陶瓷相中的一種或者幾種的混雜物AlN，BN，BC4N，BC2N，SiC，B4C，SiC-C，B4C-C，SixCyNz，SixCyOz，TiN，TiC，ZrB2，TiB2，F(xiàn)e3C，Si-C-N，Si-C-N-B，C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的金屬，尤指鋁及鋁合金、銅及銅合金、鐵及鐵合金、鈦及鈦合金、鎂及鎂合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的金屬纖維，為形狀、尺寸、分布、表面形貌、表面粗糙度受到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)中管孔形狀、尺寸、分布、表面形貌、表面粗糙度控制的金屬連續(xù)長纖維或短纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料，是以下多種復(fù)合結(jié)構(gòu)中的一種無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬纖維，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)1/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)2/金屬纖維三明治式，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)1/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)2/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)3/金屬纖維三明治式，無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)1/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)2/無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)3/……/金屬纖維三明治式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述的天然木材結(jié)構(gòu)包括針葉樹和闊葉樹的宏觀木材，尤指柞木、橡木、紅松、泡桐、山毛櫸、柳桉、榆木。
全文摘要
一種無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料的制備方法，用于材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明充分利用天然木材結(jié)構(gòu)所特有的自然分級結(jié)構(gòu)或者分級層次，首先通過有機(jī)物在宏觀木材結(jié)構(gòu)中的浸漬和組裝以及燒制，制備繼承和復(fù)制了宏觀木材分級結(jié)構(gòu)特征的無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)，然后將無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)與金屬進(jìn)行復(fù)合，金屬受到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)控制而呈纖維狀，最終得到無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料。本發(fā)明與傳統(tǒng)陶瓷/金屬復(fù)合材料相比，它們具有更高的機(jī)械性能，尤其是具有獨(dú)特的耐沖擊、抗破壞、抗震、耐磨的特性，顯示出無機(jī)陶瓷分級結(jié)構(gòu)/金屬復(fù)合材料其潛在的優(yōu)勢。
文檔編號B32B18/00GK1600538SQ20041006
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者張荻, 范同祥, 王天馳, 張國定 申請人:上海交通大學(xué)