具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料及制备方法

本发明涉及层状陶瓷材料领域，具体为一种具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料及制备方法。

背景技术：

1、目前，大多层状陶瓷材料的界面皆为平面，其相邻层之间会由于界面结合强度不足而出现裂纹和开裂的问题，这会降低层状陶瓷材料的剪切强度。因此，为提高层状陶瓷材料在应用过程中的可靠性，需提高其剪切强度。

2、当前主要通过改变界面形状来提高层状陶瓷材料剪切强度，包括激光蚀刻法和气相沉积法。激光蚀刻法制备非平层界面的层状陶瓷，可实现高精度且复杂界面的制备，并可实现快速且高效的加工，但具有成本较高、工作环境要求高、刻蚀深度受限等缺点。气相沉积法可制备非平层界面的层状陶瓷，具有均匀性好、结构控制能力强、成膜速度快等优点，但存在设备和技术要求高、基底适应性有限以及成本较高等缺点。

技术实现思路

1、本发明为了提高层状陶瓷材料的剪切强度，提出了一种具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料及制备方法。

2、本发明是采用如下技术方案实现的：

3、一种具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料，是由两种原料交替铺层制备的：表层采用tib2-hfn材料，其质量百分比的原料组成如下：tib268-80%，hfn8-20%，ni4-8%，mo4-8%；中间层采用tib2-hfc材料，其质量百分比的原料组成如下：tib268-80%，hfc8-20%，ni4-8%，mo4-8%。

4、一种具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料的制备方法，其具体步骤如下:

5、a、制备各层原始混合粉末：根据各层所设计的材料组分配比，将各原料的粉末装入卧式罐磨球磨机中，用硬质合金球和无水乙醇做球磨介质，球磨一定时长后干燥，过筛备用；

6、b、同心波纹结构的制备：先用石墨垫块把石墨套筒的底部封闭，然后将过筛后的混合粉末称量后，在石墨套筒内交替铺层，在相邻层间采用具有同心波纹结构的压头模具制备出同心波纹界面，最后用石墨垫块将石墨套筒的顶部封闭；

7、c、层状陶瓷材料的烧结：将装有粉体的石墨套筒放入真空热压烧结炉中，在升温速率为10℃/min-20℃/min、烧结压力为30mpa-40mpa、烧结温度为1550℃-1650℃的条件下，保温时间15min-45min，冷却至室温后，取出层状陶瓷材料，即可制备出相邻层界面具有同心波纹结构的层状陶瓷材料。

8、步骤b中的模具由压头和手柄组成。手柄（如图1所示）由光固化3d打印技术制作，材质为树脂，其高度为100mm。手柄通过螺纹与压头连接，可与多种压头相互配合。压头（如图1所示）由光固化3d打印技术制作，材质为树脂，其直径为45mm，高度为5mm，表面为所设计的同心波纹结构。

9、所制备的层状陶瓷材料的结构示意图如图2所示，其同心波纹曲线遵循下式：

10、

11、在上式中，λ= l/ n； a为波纹幅值，为0.3mm； n为波纹的周期数，分别为8、10、12、14； l为石墨套筒的内径，为45mm。

12、采用本发明所提出的一种具有同心波纹界面的层状陶瓷材料的制备方法，制备出如图3所示具有同心波纹结构的tib2基层状陶瓷材料，其tn与tc层交替出现，相邻层间界面为同心波纹结构，结构完整且与设计结构一致；相邻层间界面结合状态良好，且没有任何裂纹。

13、本发明所提出的一种具有同心波纹界面的层状陶瓷材料的制备方法，具有制备过程简单、效率高且成本低、所制备材料的层厚及结构可控等优点，且通过相邻层间波峰和波谷之间相互咬合，增加了相邻层间界面接触面积，可以大幅度提高层状陶瓷材料的剪切强度，其剪切强度为(191±12~543±11mpa)。

技术特征：

1.一种具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料是由两种原料交替铺层制备的：表层采用tib2-hfn材料，其质量百分比的原料组成如下：tib268-80%，hfn8-20%，ni4-8%，mo4-8%；中间层采用tib2-hfc材料，其质量百分比的原料组成如下：tib268-80%，hfc8-20%，ni4-8%，mo4-8%。

2.一种具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体步骤如下:

3.如权利要求2所述的具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述压头模具由手柄以及连接在手柄底部的压头组成；所述压头底部呈同心波纹结构。

4.如权利要求3所述的具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述同心波纹结构的波纹曲线遵循下式：

5.如权利要求1-4任一项所述的具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤b中在石墨套筒内采用微叠层粉体铺层装置交替铺层。

技术总结
本发明涉及层状陶瓷材料领域，具体为一种具有同心波纹界面的高剪切强度层状陶瓷材料及制备方法，解决了平层界面的层状陶瓷材料相邻层间因界面结合强度不足而出现裂纹和开裂的问题。TiB<subgt;2</subgt;‑HfN层质量百分比的原料组成如下：TiB<subgt;2</subgt;68‑80%，HfN8‑20%，Ni4‑8%，Mo4‑8%；TiB<subgt;2</subgt;‑HfC层质量百分比的原料组成如下：TiB<subgt;2</subgt;68‑80%，HfC8‑20%，Ni4‑8%，Mo4‑8%。该材料是将不同组分的两种材料交替铺层、采用具有同心波纹结构的压头模具在相邻层间压制出同心波纹界面和采用热压烧结技术烧结制备的，所制备的层状陶瓷材料相邻层间具有同心波纹结构，层间接触面积增大，提高了抗剪强度。

技术研发人员：宋金鹏,鲁昌龙,高姣姣
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29