本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体来说是一种耐冲击陶瓷材料及其制备方法和应用。
背景技术：
冲击动力学是在冲击载荷作用下，研究材料或结构短时快速变化产生的波动，并使固体材料产生运动、变形和破坏的规律；冲击荷载是指外载荷随时间迅速变化的荷载，当物体的局部位置受到冲击时，这种扰动就会逐渐传播到未扰动的区域。
金属橡胶是一种均质的弹性多孔物质，是将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压(或碾压)模具中，然后用冷冲压方法而成型的；它的原材料是金属丝，既具有所选金属固有的特性，又具有类似橡胶一样的弹性。
氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度和良好的抗氧化和化学稳定性，是一种用途广泛的工程陶瓷，但氧化铝基陶瓷材料是以离子键和共价键结合，位错势垒很高，材料脆性大，难以承受剧烈的冲击，继而影响其广泛应用；现有技术中往往通过向氧化铝中加入氧化锆材料来提升其抗冲击性，氧化铝和氧化锆陶瓷都具有耐高温特性，而且二者具有较高的生物相容性，将二者进行复合不会因一方氧化物应用上的缺陷而影响另一种氧化物的应用范围，因此以氧化锆为增韧相增韧基底氧化铝，但是在氧化铝和氧化锆复合的过程中往往会出现氧化铝晶粒异常长大和氧化锆晶粒穿晶开裂的现象，其内部微观结构不均匀导致了其可靠性差的技术缺陷，继而影响其在在制备结构陶瓷、电子陶瓷和生物陶瓷材料中的应用。
技术实现要素：
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供了一种耐冲击陶瓷材料及其制备方法和应用，本发明通过连接层将陶瓷层和金属橡胶层连接起来制成了复合材料，并在陶瓷层、连接层和金属橡胶层的共同作用下有效提升了氧化铝陶瓷的抗冲击性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种耐冲击陶瓷材料，包括陶瓷层、连接层和金属橡胶层，所述陶瓷层由如下重量百分比的原料制成：氧化铝50-57％、氧化锆纤维25-30％、氧化碳纤维8-14％、烧结助剂1-3％和稀有难熔金属氧化物5-8％，各原料重量百分比之和为100％；
所述连接层为金属层，所述金属层为nd金属层或mo金属层；
陶瓷层、连接层和金属橡胶层的质量之比为1:0.2-0.5:0.5-0.8。
优选的，所述金属橡胶层为由直径0.05-0.1mm的钢丝采用冷冲压法制成的金属橡胶。
优选的，所述烧结助剂为mno2-tio2-mgo烧结助剂。
优选的，所述稀有难熔金属氧化物为二氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧化钒、氧化铌、氧化钽、氧化钼或氧化钨中的一种。
优选的，所述氧化锆纤维和所述氧化碳纤维的长度均小于150μm。
优选的，所述氧化碳纤维按照如下步骤制得：
(1)将碳纤维浸泡于丙酮溶液中20-28h后取出，用去离子水超声洗脱，干燥至恒重，得到去胶碳纤维；
(2)将步骤(1)的去胶碳纤维于40-60℃下浸泡于过氧化氢溶液中1.5-2h，去离子水超声洗脱，然后干燥至恒重，得到氧化碳纤维。
本发明还保护了一种耐冲击陶瓷材料，所述陶瓷层按照以下方法制备：
(1)称量：按照如下重量份数称取原料：氧化铝50-57％、氧化锆纤维25-30％、氧化碳纤维8-14％、烧结助剂1-3％和稀有难熔金属氧化物5-8％，各原料重量百分比之和为100％，备用；
(2)陶瓷层的制备：
s1、将氧化铝、烧结助剂和稀有难熔金属氧化物混合均匀，球磨至粒径达到微米级，再加入氧化锆纤维和氧化碳纤维，得到预混物；
s2、将s1的预混物预压成型；
s3、将预压成型的所述预混物置于真空热压烧结炉内烧结，先以5℃/min的升温速率升温至1000-1200℃后保温0.5-1h，再以2-4℃/min的升温速率升温至1300-1500℃后，保温1.5-2h，得到陶瓷层。
本发明还保护了一种耐冲击陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)称量：按照质量之比为1:0.2-0.5:0.5-0.8称取陶瓷层、连接层和金属橡胶层；
(2)耐冲击陶瓷材料的制备：
将陶瓷层、连接层和金属橡胶层依次叠加在一起，于真空条件下，于1000-1400℃接合1.5-2h，制得耐冲击陶瓷材料。
优选的，所述步骤(2)真空条件的真空度为10-5-10-4pa。
本发明还保护了耐冲击陶瓷材料在制备结构陶瓷、电子陶瓷和生物陶瓷材料中的应用。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明的包括陶瓷层、连接层和金属橡胶层，陶瓷层以氧化铝做为基相，氧化锆纤维和氧化碳纤维作为增强材料，mno2-tio2-mgo作为烧结助剂，稀有难熔金属氧化物为熔剂；对碳纤维进行表面氧化处理不仅能够改善纤维增强复合材料的界面状况，而且能够改善碳纤维的力学性能，氧化碳纤维与氧化锆纤维相互缠绕烧结时，不仅相互作用增强了共同的力学性能，而且氧化碳纤维增强氧化锆纤维热障烧蚀性能；mno2能够促进烧结，而mgo起到了显微结构稳定剂的作用，克服氧化铝晶粒异常长大，在mno2和mgo含量一定的情况下，加入少量tio2可使氧化铝烧结获得良好的力学性能；稀有难熔金属氧化物加入后有效提升了陶瓷层的力学性能，综上所述，本发明制备得到了力学和抗冲击性能优异的陶瓷层。
2、本发明还包括连接层和金属橡胶层，连接层为金属层为nd金属层或mo金属层，在金属层的作用下将金属层与陶瓷层进行连接，继而提升陶瓷层的耐冲击性能，选用金属橡胶层的原因在于：氧化锆纤维与钢丝的热膨胀系数接近，因此氧化锆纤维与钢丝复合时的结合力强，继而形成稳定的结构，本发明由钢丝制成了金属橡胶，金属橡胶具有橡胶一样的弹性，进一步提升了整个复合材料的韧性和抗冲击性能。
具体实施方式
下面结合表1-2对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明所用原料未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种耐冲击陶瓷材料的制备方法，包括陶瓷层的制备、氧化碳纤维的制备和耐冲击陶瓷材料的制备；
陶瓷层的制备包括如下步骤：
(1)称量：按照如下重量份数称取原料：氧化铝50％、氧化锆纤维30％、氧化碳纤维10％、烧结助剂2％和稀有难熔金属氧化物8％，备用；
(2)陶瓷层的制备：
s1、将氧化铝、烧结助剂和稀有难熔金属氧化物混合均匀，球磨至粒径达到微米级，再加入氧化锆纤维和氧化碳纤维，得到预混物；
s2、将s1的预混物先于20mpa下压制成型，然后使用冷等静压于200mpa下再次压制提升致密化，预压成型；
s3、将预压成型的所述预混物置于真空热压烧结炉内烧结，以5℃/min的升温速率先升温至1000℃后保温1h，再以4℃/min的升温速率升温至1500℃后，保温1.5h，得到陶瓷层；
氧化碳纤维的制备包括如下步骤：
(1)将碳纤维浸泡于丙酮溶液中20h后取出，用去离子水超声洗脱，然后干燥至恒重，得到去胶碳纤维；
(2)将步骤(1)的去胶碳纤维于60℃下浸泡于过氧化氢溶液中1.5h，去离子水超声洗脱，然后干燥至恒重，得到氧化碳纤维；
耐冲击陶瓷材料的制备包括如下步骤：
(1)称量：按照质量之比为1:0.2:0.8称取陶瓷层、连接层和金属橡胶层；
(2)耐冲击陶瓷材料的制备：
将陶瓷层、连接层和金属橡胶层依次叠加在一起，于真空度为10-5pa的真空条件下，于1000℃接合2h，制得耐冲击陶瓷材料。
实施例2
一种耐冲击陶瓷材料的制备方法，包括陶瓷层的制备、氧化碳纤维的制备和耐冲击陶瓷材料的制备；
陶瓷层的制备包括如下步骤：
(1)称量：按照如下重量份数称取原料：氧化铝51％、氧化锆纤维27％、氧化碳纤维14％、烧结助剂3％和稀有难熔金属氧化物5％，备用；
(2)陶瓷层的制备：
s1、将氧化铝、烧结助剂和稀有难熔金属氧化物混合均匀，球磨至粒径达到微米级，再加入氧化锆纤维和氧化碳纤维，得到预混物；
s2、将s1的预混物先于20mpa下压制成型，然后使用冷等静压于200mpa下再次压制提升致密化，预压成型；
s3、将预压成型的所述预混物置于真空热压烧结炉内烧结，以5℃/min的升温速率先升温至1150℃后保温45min，再以3℃/min的升温速率升温至1400℃后，保温1.5h，得到陶瓷层；
氧化碳纤维的制备包括如下步骤：
(1)将碳纤维浸泡于丙酮溶液中24h后取出，用去离子水超声洗脱，然后干燥至恒重，得到去胶碳纤维；
(2)将步骤(1)的去胶碳纤维于50℃下浸泡于过氧化氢溶液中2h，去离子水超声洗脱，然后干燥至恒重，得到氧化碳纤维；
耐冲击陶瓷材料的制备包括如下步骤：
(1)称量：按照质量之比为1:0.3:0.7称取陶瓷层、连接层和金属橡胶层；
(2)耐冲击陶瓷材料的制备：
将陶瓷层、连接层和金属橡胶层依次叠加在一起，于真空度为5×10-5pa的真空条件下，于1250℃接合2h，制得耐冲击陶瓷材料。
实施例3
一种耐冲击陶瓷材料的制备方法，包括陶瓷层的制备、氧化碳纤维的制备和耐冲击陶瓷材料的制备；
陶瓷层的制备包括如下步骤：
(1)称量：按照如下重量份数称取原料：氧化铝57％、氧化锆纤维25％、氧化碳纤维11％、烧结助剂1％和稀有难熔金属氧化物6％，备用；
(2)陶瓷层的制备：
s1、将氧化铝、烧结助剂和稀有难熔金属氧化物混合均匀，球磨至粒径达到微米级，再加入氧化锆纤维和氧化碳纤维，得到预混物；
s2、将s1的预混物先于20mpa下压制成型，然后使用冷等静压于200mpa下再次压制提升致密化，预压成型；
s3、将预压成型的所述预混物置于真空热压烧结炉内烧结，以5℃/min的升温速率先升温至1200℃后保温0.5h，再以2℃/min的升温速率升温至1300℃后，保温2h，得到陶瓷层；
氧化碳纤维的制备包括如下步骤：
(1)将碳纤维浸泡于丙酮溶液中28h后取出，用去离子水超声洗脱，然后干燥至恒重，得到去胶碳纤维；
(2)将步骤(1)的去胶碳纤维于40℃下浸泡于过氧化氢溶液中2h，去离子水超声洗脱，然后干燥至恒重，得到氧化碳纤维；
耐冲击陶瓷材料的制备包括如下步骤：
(1)称量：按照质量之比为1:0.5:0.5称取陶瓷层、连接层和金属橡胶层；
(2)耐冲击陶瓷材料的制备：
将陶瓷层、连接层和金属橡胶层依次叠加在一起，于真空度为10-4pa的真空条件下，于1400℃接合1.5h，制得耐冲击陶瓷材料。
对比例1
与实施例2的制备步骤相同，不同之处仅在于，称量的原料仅含有氧化铝、氧化锆纤维和烧结助剂，且氧化铝、氧化锆纤维和烧结助剂的质量比为51:27:3，制备得到的陶瓷层材料。
对比例2
与实施例2的制备步骤相同，不同之处仅在于，称量的原料仅含有氧化铝、氧化锆纤维和烧结助剂，且氧化铝、氧化锆纤维和烧结助剂的质量比为51:27:3。
对比例3
实施例2制得的陶瓷层材料。
本发明实施例1-实施例3均制备得到了抗冲击性能和力学性能优异的陶瓷材料，且性能相近，下面以实施例2制得的陶瓷材料为例进行研究，与对比例1-对比例3进行对比，具体研究方法及结果如下：
根据氧化铝陶瓷冲击压缩损伤及参与强度试验研究结果，测定本申请制得的材料的体积密度、气孔率、抗弯强度、断裂韧性和硬度，具体测试结果如下：
体积密度和气孔率的测试
当材料的体积是实体积(材料内部没有气孔)时，称为真密度。本发明中试样的体积密度以及开口气孔率按照如下步骤测量：
(1)将实施例2及对比例1-3的试样放入超声波中清洗干净，放在烘箱中烘干至恒重，在电子天平上称重go；
(2)将称量好的试样放进真空条件下15min，然后放在入水中浸泡，之后继续在真空中处理30min；
(3)测试试样悬浮在水中的重量g2；取出试样，将试样表面擦干，称量样品条的湿重g1；
样品的体积密度为：d＝gor/(g1-g2)，r为水的真密度
开孔气孔率为：p＝(g1-g0)/(g1-g2)。
抗弯强度的测试
抗弯强度是指材料抵抗弯曲不发生断裂的能力，将试样加工成3mm×4mm×50mm的形状，并将烧结体的表面磨平并抛光，把试样安放在两支点上，然后在压头下压速度为0.5mm/min的条件下，向试样中间位置施加一定载荷，不断加大载荷强度直至试样断裂时的单位面积载荷值。
断裂韧性的测试
断裂韧性是用来衡量材料阻止宏观裂纹发生失稳扩展性能的指标，也是材料抵制发生脆性破坏的参数，是材料的一个固有属性，本发明中断裂韧性测试采用senb法，试样尺寸为2.5×5×25mm，中间裂口深度2.5mm，宽度小于0.2mm。
硬度测试
硬度测试采用hx-1000型显微硬度计。
表1力学性能研究
结果表明，本发明实施例2制得的材料具有优异的力学性能，且与对比例3相比，连接层和金属层的复合有效提升了材料的抗冲击性能和力学性能；实施例2与对比例1的现有技术氧化铝-氧化锆复合材料相比，其硬度、断裂韧性和抗弯强度均得到了极大的提升，说明采用本发明的制备方法制得的材料在现有技术基础上达到了意想不到的技术效果；实施例2与对比例2相比，说明本发明制得的陶瓷材料相比于现有技术的氧化铝-氧化锆复合材料具有更加优异的力学性能和抗冲击性能，本发明制得的陶瓷材料能够被应用于制备结构陶瓷、电子陶瓷和生物陶瓷材料中。
表2体积密度和气孔率
结果表明，本发明实施例2制得的耐冲击陶瓷材料的密度和气孔率符合结构陶瓷、电子陶瓷和生物陶瓷的性能，且力学性能优异具体体现在气孔率和体积密度均低，由于形成了致密的微观结构，因此具有优异的抗冲击性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。