本发明涉及陶瓷材料的，分类号为c04b35/584，具体的，涉及一种纳米复相陶瓷材料及其制备方法和应用。
背景技术：
1、氮化硅陶瓷材料因其优异的耐高温性能和力学性能，在航空航天、汽车发动机等领域发挥着重要的作用。但是陶瓷材料所具有的脆性大大的限制了其在这些领域中的应用，科学家们也做出了大量的努力，通过颗粒弥散增韧、相变增韧、晶须增韧、自增韧等方式来提高氮化硅陶瓷的韧性，但还是存在韧性不足的问题，并且一般韧性的增加都是需要牺牲另一种性能，进而造成氮化硅陶瓷综合性能的下降，限制了其在各个领域的应用。
2、专利cn110105082a公开了一种纤维增韧多孔氮化硅陶瓷的制备方法，其所制备的陶瓷具有一定的抗弯强度和断裂韧性，但其硬度并未解决。专利cn106866154a公开了一种氮化硅陶瓷的制备方法，通过烧结助剂氧化铝和氧化硼获得了致密的氮化硅陶瓷，但氮化硅陶瓷的韧性不足问题并未解决。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种纳米复相陶瓷材料，其制备原料，按重量份计，为：硅基材料40-60份，烧结助剂1-20份，含碳材料1-15份，稀土材料0.1-10份，含锆化合物5-20份，溶剂1-10份。
2、进一步优选的，所述纳米复相陶瓷材料，其制备原料，按重量份计，为：硅基材料45-55份，烧结助剂5-15份，含碳材料5-10份，稀土材料0.1-1份，含锆化合物5-10份，溶剂1-10份。
3、进一步优选的，所述纳米复相陶瓷材料，其制备原料，按重量份计，为：硅基材料50份，烧结助剂10份，含碳材料8份，稀土材料0.3份，含锆化合物7份，溶剂8份。
4、进一步优选的，所述硅基材料包括单质硅粉、硅微粉和si3n4中的至少一种，所述稀土材料包括氧化镧、氧化钇、氧化铒、氧化钕、氧化铈中的至少一种，所述含锆化合物为氧化锆，所述溶剂为乙醇。
5、进一步优选的，所述硅基材料为si3n4，所述稀土材料为氧化钇，所述含锆化合物为氧化锆，所述溶剂为乙醇。
6、优选的，所述硅基材料的平均粒径为500nm-1μm。
7、进一步优选的，所述硅基材料的平均粒径为600-900nm。
8、进一步优选的，所述硅基材料的平均粒径为800nm。
9、优选的，所述烧结助剂包括二氧化钛、氧化钙、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、二氧化锰、氧化铜中的至少一种。
10、优选的，所述烧结助剂为二氧化钛、氧化铝和氧化镁，三者之间的质量比为(1-4)：(3-6)：(2-4)。氧化铝的加入使得材料烧结性能得到改善，并且提高了材料的致密性，主要是此时二氧化钛能够跟氧化铝发生反应形成固溶体，产生晶格畸变和阳离子缺位，进一步促进了材料的烧结，提高了材料的硬度，但为了避免氧化铝作为助剂时产生的晶格缺陷增加声子散射而影响材料的力学性能，本技术人又加入氧化镁，并限定三者的质量比为(1-4)：(3-6)：(2-4)，不仅解决了氧化铝产生晶格缺陷的问题，又进一步提高了材料的致密性，进而改善了材料的密度和硬度。
11、进一步优选的，所述烧结助剂为二氧化钛、氧化铝和氧化镁，三者之间的质量比为(1-3)：(4-6)：(2-4)。
12、进一步优选的，所述烧结助剂为二氧化钛、氧化铝和氧化镁，三者之间的质量比为2：5：3。
13、优选的，所述含碳材料包括炭黑、膨胀石墨、淀粉、酚醛树脂、蔗糖、碳化硅、碳化钛、碳化钒中的至少一种。
14、进一步优选的，所述含碳材料为碳化硅，其平均粒径为80-120nm。
15、进一步优选的，所述含碳材料为碳化硅，其平均粒径为100nm。
16、优选的，所述含碳材料还包括纳米木质素。
17、优选的，所述纳米木质素的直径为40-100nm。
18、进一步优选的，所述纳米木质素的直径为40-80nm。
19、本技术人发现，当添加直径为40-80nm的纳米木质素，提高了陶瓷的断裂韧性，可能是此时的纳米木质素能够转化为类石墨烯材料，形成一层包覆层包覆在氮化硅晶粒的表面，当材料发生断裂时，可以通过裂纹的钝化分支、偏转和桥接，进而提高了材料的断裂韧性。
20、进一步优选的，所述纳米木质素的直径为55nm。
21、优选的，所述稀土材料和含锆化合物之间的质量比为(0.1-0.5)：(5-10)。本技术人发现，限定氧化钇和氧化锆的质量比为(0.1-0.5)：(5-10)，提高了陶瓷的弯曲强度。由于此时的氧化钇可以进入氧化锆晶格内，具有定轧作用并且限制了氧化锆的晶型改变，进而阻止了裂纹的扩展、偏转和分叉，促进了体系内的相变增韧、微裂纹增韧、内晶型结构强化增韧以及表面强化增韧等多种增韧方式的协同作用。
22、进一步优选的，所述稀土材料和含锆化合物之间的质量比为(0.2-0.4)：(5-8)。
23、进一步优选的，所述稀土材料和含锆化合物之间的质量比为0.3：7。
24、本发明第二方面提供了一种纳米复相陶瓷材料的制备方法，包括步骤如下：
25、(1)湿法球磨；
26、按重量份将硅基材料、烧结助剂、含碳材料、稀土材料、含锆化合物、溶剂混合后放入行星式球磨仪中进行湿法球磨1-2h，之后，进行干燥得到造粒粉。
27、(2)预压和烧结。
28、将造粒粉放入模具中预压，压力为130-140mpa，再加入具有氮气气氛的烧结炉中，温度为1500-1800℃，保温保压1-3h后自然冷却，
29、即得。
30、本发明第三方面提供了一种纳米复相陶瓷材料在航天领域上的应用。
31、有益效果：本发明所制备的纳米复相陶瓷材料具有断裂韧性佳、硬度高、抗弯强度高等优点，克服了现有技术中氮化硅陶瓷存在韧性不足的问题，通过添加直径为40-100nm的纳米木质素，由于其类石墨化效应，使得纳米复相陶瓷材料的断裂韧性高达9.5pa·m1/2，通过选择合适的烧结助剂，进一步提高了陶瓷的密度，使得硬度高至19.5gpa，通过氧化钇和氧化锆之间的相互配合，使得陶瓷的弯曲强度高至960mpa，扩宽了陶瓷的应用领域，不仅能够应用于航空航天领域，还能够应用于刀具等领域。
32、实施例
33、实施例1
34、一种纳米复相陶瓷材料，其制备原料，按重量份计，为：硅基材料50份，烧结助剂10份，含碳材料8份，稀土材料0.3份，含锆化合物7份，溶剂8份。
35、所述硅基材料为si3n4，平均粒径为800nm，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-si3n4-4。
36、所述烧结助剂为二氧化钛、氧化铝和氧化镁，三者之间的质量比为2：5：3，所述二氧化钛购自南宫市京锐合金制品有限公司，型号为r-980；所述氧化铝平均粒径为500nm，型号为xt-al203-05，购自上海巷田纳米材料有限公司；所述氧化镁平均粒径为1μm，型号为xt-mgo-04，购自上海巷田纳米材料有限公司。
37、所述含碳材料为碳化硅和纳米木质素，所述碳化硅的平均粒径为100nm，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-sic-04。所述纳米木质素的直径为55nm，购自闪思科技。
38、所述碳化硅和纳米木质素的质量比为1：1。
39、所述稀土材料为氧化钇，平均粒径为0.3μm，购自杭州智钛净化科技有限公司，型号vk-y02。
40、所述含锆化合物为氧化锆，平均粒径为1.5μm，纯度为99.5％，购自杭州智钛净化科技有限公司，型号为vk-r55。
41、所述氧化钇和氧化锆之间的质量比为0.3：7。
42、所述溶剂为乙醇。
43、本发明第二方面提供了一种纳米复相陶瓷材料的制备方法，包括步骤如下：
44、(1)湿法球磨；
45、按重量份将硅基材料、烧结助剂、含碳材料、稀土材料、含锆化合物、溶剂混合后放入行星式球磨仪中进行湿法球磨2h，干燥后得到造粒粉。
46、(2)预压和烧结。
47、将造粒粉放入模具中预压，压力为140mpa，再加入具有氮气气氛的烧结炉中，温度为1600℃，保温保压2h后自然冷却，即得。
48、实施例2
49、一种纳米复相陶瓷材料，其制备原料，按重量份计，为：硅基材料60份，烧结助剂14份，含碳材料8份，稀土材料0.3份，含锆化合物7份，溶剂8份。
50、所述硅基材料为si3n4，平均粒径为800nm，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-si3n4-4。
51、所述烧结助剂为二氧化钛、氧化铝和氧化镁，三者之间的质量比为4：6：4，所述二氧化钛购自南宫市京锐合金制品有限公司，型号为r-980；所述氧化铝平均粒径为500nm，型号为xt-al203-05，购自上海巷田纳米材料有限公司；所述氧化镁平均粒径为1μm，型号为xt-mgo-04，购自上海巷田纳米材料有限公司。
52、所述含碳材料为碳化硅和纳米木质素，所述碳化硅的平均粒径为100nm，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-sic-04。所述纳米木质素的直径为55nm，购自闪思科技。
53、所述碳化硅和纳米木质素的质量比为1：1。
54、所述稀土材料为氧化钇，平均粒径为0.3μm，购自杭州智钛净化科技有限公司，型号vk-y02。
55、所述含锆化合物为氧化锆，平均粒径为1.5μm，纯度为99.5％，购自杭州智钛净化科技有限公司，型号为vk-r55。
56、所述氧化钇和氧化锆之间的质量比为0.3：7。
57、所述溶剂为乙醇。
58、本发明第二方面提供了一种纳米复相陶瓷材料的制备方法，包括步骤如下：
59、(1)湿法球磨；
60、按重量份将硅基材料、烧结助剂、含碳材料、稀土材料、含锆化合物、溶剂混合后放入行星式球磨仪中进行湿法球磨2h，干燥后得到造粒粉。
61、(2)预压和烧结。
62、将造粒粉放入模具中预压，压力为140mpa，再加入具有氮气气氛的烧结炉中，温度为1600℃，保温保压2h后自然冷却，即得。
63、实施例3
64、一种纳米复相陶瓷材料，其制备原料，按重量份计，为：硅基材料50份，烧结助剂10份，含碳材料8份，稀土材料0.5份，含锆化合物10份，溶剂8份。
65、所述硅基材料为si3n4，平均粒径为800nm，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-si3n4-4。
66、所述烧结助剂为二氧化钛、氧化铝和氧化镁，三者之间的质量比为2：5：3，所述二氧化钛购自南宫市京锐合金制品有限公司，型号为r-980；所述氧化铝平均粒径为500nm，型号为xt-al203-05，购自上海巷田纳米材料有限公司；所述氧化镁平均粒径为1μm，型号为xt-mgo-04，购自上海巷田纳米材料有限公司。
67、所述含碳材料为碳化硅和纳米木质素，所述碳化硅的平均粒径为100nm，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-sic-04。所述纳米木质素的直径为55nm，购自闪思科技。
68、所述碳化硅和纳米木质素的质量比为1：1。
69、所述稀土材料为氧化钇，平均粒径为0.3μm，购自杭州智钛净化科技有限公司，型号vk-y02。
70、所述含锆化合物为氧化锆，平均粒径为1.5μm，纯度为99.5％，购自杭州智钛净化科技有限公司，型号为vk-r55。
71、所述氧化钇和氧化锆之间的质量比为0.5：10。
72、所述溶剂为乙醇。
73、本发明第二方面提供了一种纳米复相陶瓷材料的制备方法，包括步骤如下：
74、(1)湿法球磨；
75、按重量份将硅基材料、烧结助剂、含碳材料、稀土材料、含锆化合物、溶剂混合后放入行星式球磨仪中进行湿法球磨2h，干燥后得到造粒粉。
76、(2)预压和烧结。
77、将造粒粉放入模具中预压，压力为140mpa，再加入具有氮气气氛的烧结炉中，温度为1600℃，保温保压2h后自然冷却，即得。
78、对比例1
79、将含碳材料碳化硅和纳米木质素的质量比改为2：3，其余同实施例1。
80、对比例2
81、将烧结助剂二氧化钛、氧化铝和氧化镁，三者之间的质量比改为2：5：6，将氧化钇的平均粒径改为1μm，型号为xt-y2o3-06，购自上海巷田纳米材料有限公司，其余同实施例1。
82、对比例3
83、将氧化钇和氧化锆之间的质量比改为0.8：10，将氧化镁的平均粒径改为5μm，型号为xt-mgo-05，购自上海巷田纳米材料有限公司，其余同实施例1。
84、性能评价
85、(1)四点抗弯强度测试：按照测试标准iso 14704：2016进行测定。
86、(2)断裂韧性测试：根据测试标准gb/t 23806-2009进行测定。
87、(3)硬度测试：通过5kg维氏硬度计来对实施例1-3和对比例1-3进行测试。
88、表1
89、 测试项目 抗弯强度(mpa) <![cdata[断裂韧性(pa·m<sup>1/2</sup>)]]> 硬度(gpa) 实施例1 960 9.5 19.5 实施例2 955 9.3 18.8 实施例3 952 9.3 19.0 对比例1 921 8.0 17.2 对比例2 924 8.3 16.9 对比例3 920 8.5 17.0