一种用于海洋环境下的多层结构氧化铝复合陶瓷的制作方法

本发明涉及一种用于海洋环境下的多层结构氧化铝复合陶瓷，属于海洋环境下服役的复合材料的设计技术领域。

背景技术：

全面实现海洋安全已成为新时代新形势下我国重大战略问题。海洋科技也是化解世界性能源和环境难题的新途径。而海洋工程装备常常依赖于材料科技的发展和突破，尤其依赖于海洋专用材料的研究和进展。面对新一代海洋武器装备苛刻的使用环境要求，很多传统材料和技术已经不能满足高技术装备创新和跨越发展的需要。大多数常用的金属材料、无机材料、高分子材料都受到不同程度的腐蚀和损伤。陶瓷材料因其具有高强度、高硬度、高弹性模量、抗腐蚀、耐磨损等优异的性能，已在航空、航天、核能、轨道交通等高端装备机械系统中得到应用。但是陶瓷材料的缺点是其本征的脆性以及作为摩擦材料时摩擦系数高，从而制约了陶瓷材料作为润滑材料的广泛应用。

陶瓷润滑复合材料除具有一般固体润滑材料的优点，如使用温度范围宽、低摩擦、抗污染、高承载外，还具有密度低、结构理想、化学稳定性和热稳定性优异以及使用寿命长等特点，可以在强腐蚀等特殊工况下实现有效润滑，在高技术领域具有广泛的应用前景。虽然近年来新型陶瓷材料在石油、化工、冶金、机械等领域的应用非常活跃，利用陶瓷的耐磨性、耐腐蚀性制作耐磨耐腐蚀零部件代替金属材料。但是，由于陶瓷材料的本征脆性以及由摩擦学设计所带来的材料力学性能的下降，导致其使用的可靠性和抗破坏性较差，从而制约了陶瓷润滑复合材料在机械领域更为广泛的应用和产业化进程。因此, 设计制备兼具优异力学性能（高强度、高韧性）、抗腐蚀和摩擦学性能（低摩擦磨损）的陶瓷润滑复合材料，对推动其在我国航空航天、核能、轨道交通、海洋工程装备等领域的应用和加快国产高性能高端装备的研制具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在海洋环境下具有高强度、高断裂韧性等优异力学性能、良好耐腐蚀性能和优异摩擦学性能的多层结构氧化铝复合陶瓷。

一种用于海洋环境下的多层结构氧化铝复合陶瓷，其特征在于该复合陶瓷由氧化铝层和金属镍层交替叠加构成，其中氧化铝层为表层，金属镍层为间隔层，氧化铝层的厚度为280 μm ~ 1800 μm，金属镍层的厚度为40 μm ~100 μm，这种多层结构和金属镍层的存在可有效提升该材料的力学性能和抗腐蚀性能。

为了进一步提高材料的力学性能，在所述氧化铝层和金属镍层中间还可增加氧化铝-镍复合相的过渡层，所述过渡层中金属镍的含量为10 wt.% ~ 50 wt.%，过渡层厚度为40 μm ~80 μm；所述过渡层与金属镍层间可增设网状凹槽结构，该凹槽结构从界面处朝向过渡层侧，所述网状凹槽结构中凹槽宽度为0.2~0.8 mm,凹槽间距为0.4~1.6 mm，深度不大于过渡层厚度。此过渡界面和网状凹槽结构可有效调节界面结合强度，从而提高材料的整体力学性能。

如上所述多层结构氧化铝复合陶瓷在氧化铝表层还可具有PTFE膜和激光加工的织构图案结合的三维复合润滑结构，以提高材料在海洋环境下的摩擦学性能。方案如下：位于氧化铝表层具有织构图案，织构图案上喷涂有PTFE膜，形成表层氧化铝层上的织构图案+织构图案上的PTFE膜组成的复合润滑结构；也可在氧化铝表层喷涂PTFE膜，然后在PTFE膜上加工织构图案，形成表层氧化铝层上的PTFE膜+PTFE膜上的织构图案组成的复合润滑结构；还可以结合前两种形成表层氧化铝层上的织构图案+PTFE膜的结构+ PTFE膜上的织构图案组成的复合润滑结构。所述织构图案为微坑，沟槽，网格或者方坑等结构，微坑直径为50 μm ~ 200 μm，沟槽、网格和方坑的宽度为30 μm ~ 70 μm。织构图案密度为5%~ 45%，深度为10 μm ~ 20 μm，所述PTFE膜厚为20 μm ~ 35 μm。通过此复合润滑结构的配置，可显著提高材料在不同服役环境下的润滑性能。

本发明的优点是：

1、材料由异质的硬质层氧化铝和金属镍层相间排列而成，形成强弱界面结合的多层结构。这种材料基于多层结构和金属特性，通过内外两种增韧机制提高材料的力学性能。同时利用过渡界面和界面网状凹槽结构可有效调控界面结合强度，总体上提高材料的服役可靠性。

2、基于层结构氧化铝复合陶瓷的三维复合润滑结构能够在保证材料力学性能的基础上实现优异的海水环境润滑性能和疏水自清洁功能。

附图说明

图1为多层结构氧化铝复合陶瓷的显微照片。

图2为具有过渡界面的多层结构氧化铝复合陶瓷的显微照片。

图3为具有过渡界面和网状凹槽结构调控的多层结构氧化铝陶瓷示意图。

图4为过渡层与金属镍层间的网状凹槽结构。

图5为三维复合润滑结构制备过程及其结构示意图。

图6为具有三维复合润滑结构的多层结构氧化铝复合陶瓷在海水中的摩擦系数曲线。

具体实施方式

下面将本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将粒径尺寸为33 nm ~ 1100 nm的微纳米氧化铝粉和粒径小于5μm的金属镍粉，交替平铺在钢模具中，并通过称重的方法控制各层的厚度。经反复堆叠多层后在钢模具中原位加压180 MPa,保持5min得到多层材料素坯，将得到的素坯置于石墨模具中氩气保护下进行热压烧结，压力为25 MPa 烧结温度为1400℃，保温2 h后得到多层结构氧化铝复合陶瓷。所得多层材料的氧化铝层厚为280 μm ~ 1800 μm，金属镍层厚为 40 μm ~100 μm 。

如图1所示，为氧化铝层和金属镍层分别为372 μm和75 μm材料的显微照片。将多层结构氧化铝复合陶瓷用金刚石线切割机切割成所需尺寸的试样条后在万能试验机上进行力学性能的测试。弯曲强度和断裂韧性测试样品的尺寸分别为25 mm×4 mm×3.5 mm和25 mm×1.8 mm×3.5 mm。其中，弯曲强度采用三点弯曲法测试，试验跨距为20 mm，加载速度为0.5 mm/min；断裂韧性采用单边切口梁（SENB）法进行测试，样品的切口深度为1.75 mm，试验跨距为14 mm，加载速率为0.05 mm/min。测得该材料的断裂韧性为8.9 MPam^1/2 ，断裂功可达1099 Jm^-2。

实施例2

将粒径尺寸为33 nm ~ 1100 nm的微纳米氧化铝粉和粒径小于5μm的金属镍粉按照设计比例经球磨混合均匀，得到过渡层的复合粉体，其中金属镍的含量为10 wt.%，20 wt.%，30 wt.%， 40 wt.%，50 wt.%。基于实施例1中的材料，在相邻层间加了过渡层，制备过程中将所得复合粉体平铺于氧化铝层和金属镍层中间，同样通过称重方法控制过渡层的厚度，本例中所制备的过渡层厚度为40 μm、55 μm、75 μm以及80 μm。如图2所示为具有过渡界面的多层结构氧化铝复合陶瓷的显微照片，其中过渡层中金属镍的含量为40 wt.%，过渡层厚度为40 μm。经测试该材料的弯曲强度为455 MPa，断裂韧性可达14.0 MPam^-2。

实施例3

在实施例2中该材料的结构基础上，于过渡层与金属镍层的界面处采用激光加工的方法增设网状凹槽结构，凹槽深度朝向过渡层方向，采用机械咬合的方式调控界面结合性能。具有过渡层和该网状凹槽调控的多层结构氧化铝陶瓷示意图如图3所示。本例中，凹槽宽度为0.2 mm, 凹槽间距为1.2 mm。网状凹槽结构内部照片如图4所示。所制备的多层结构氧化铝材料的氧化铝层厚为760 μm，过渡层含30 wt.%的金属镍，过渡层厚为55 μm，金属镍层厚为75 μm。测得该材料弯曲强度高达549 MPa，断裂韧性为15.7 MPam^-2，断裂功为2936 Jm^-2。

实施例4

采用激光加工的方法在所制备多层结构氧化铝陶瓷表面加工织构图案，然后在织构图案表面喷涂PTFE膜，形成具有三维复合润滑结构的多层结构氧化铝陶瓷。织构图案有三种，分别是微坑，沟槽、网格或者方坑。本例中制备的微坑直径为100 μm，沟槽、网格或者方坑的宽度为50 μm，织构图案密度也为35 %，喷涂的PTFE膜厚为20 μm ~ 35 μm。形成的三维复合润滑结构为：氧化铝层表面的织构图案+织构图案上的PTFE膜。测试表明此材料在海水环境下具有优异的润滑性能。

实施例5

本实施例中用实施例3中所制备的材料同样采用激光加工织构图案和喷涂PTFE膜的方法制备了三维复合润滑结构，与实施例4中所不同的是在所喷涂的涂层上又进行了一次激光加工织构图案，形成的三维复合润滑结构为：氧化铝层表面的织构图案+织构图案上的PTFE膜+PTFE膜上的织构图案，制备过程及其结构示意图如图5所示。

采用美国的UMT-3摩擦磨损试验机测试了该材料在水环境下的摩擦学性能，采用ø 3 mm × 15的钢栓作为对偶，测试中施加载荷为50 N，频率为5 Hz，振幅为4.9 mm。测得的摩擦系数曲线如图6所示。

实施例6

与前面实施例方法相同，在制备完层状材料后，先在氧化铝表层喷涂厚度为20μm ~ 30μm PTFE膜，然后在PTFE膜上进行激光织构图案，形成表层氧化铝层上的PTFE膜+PTFE膜上的织构图案结构的三维复合润滑结构。织构密度为25 %，微坑直径为50 μm ~ 150 μm，沟槽、网格和方坑的宽度为50 μm。该复合润滑结构在海水环境下同样具有优异的润滑性能。