專利名稱：層級材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在高溫下使用的材料。具體而言，本發(fā)明涉及用于高溫增韌的材料。本發(fā)明還涉及制備這種材料的方法。
背景技術(shù)：
在一些變化大的應(yīng)用領(lǐng)域中，包括例如宇宙飛行器、發(fā)電廠和航空發(fā)動機的渦輪設(shè)備以及金屬成形及玻璃吹制設(shè)備，迫切需要能在極高溫度下維持足夠性能的材料。例如，增加用于驅(qū)動燃氣輪機的燃燒氣體的溫度通常能增加渦輪機發(fā)電的潛在效率。然而，用于制作渦輪機部件的合金和保護涂層通常在或接近目前渦輪機設(shè)備的溫度極限下工作，并且即使稍微增加這種渦輪機的燃燒溫度也將會使這些材料的例如強度、抗氧化性能和抗蠕變性能的許多性能退化。
許多陶瓷的某些高溫性能優(yōu)于金屬，并且因此提供了解決上述合金的局限性的可能方案。與高溫合金相比，陶瓷通常強度更大并且更輕，并且更有效地抵抗環(huán)境侵蝕和蠕變。然而，由于陶瓷耐損害性能低，所以在許多發(fā)動機結(jié)構(gòu)部件中，已經(jīng)很少見到使用陶瓷材料。陶瓷容易破碎并且當過載時非常容易快速突變失效，尤其是在陶瓷含有裂紋、空穴、空隙、或其它非連續(xù)性的機械損傷的情況下。像陶瓷那樣的易碎材料在具有極小的至非塑性(永久)的變形時容易失效，并且實現(xiàn)完全破裂所需要的能量相當?shù)?，其量值在現(xiàn)有技術(shù)中經(jīng)常被稱為“韌性”。另一方面，金屬和合金在失效之前一般需要相當高的能量，因為它們出現(xiàn)大量的塑性形變，這阻礙了裂紋和空穴的形成，鈍化了現(xiàn)存的裂縫尖端，并且另外還包容損傷從而防止突變失效。由于具有高韌性的材料在失效之前具有“吸收”較高能量的能力，它們的損傷容限比易碎材料大得多。利用了陶瓷優(yōu)點的材料為了更加有用，還必須具有提高整體韌性和損傷容限的一些機制。
為了在結(jié)合有陶瓷的材料中兼顧強度和韌性，最常用的策略之一是開發(fā)復合材料，其中多種材料以優(yōu)化它們的優(yōu)點同時最小化它們的缺點的方式被結(jié)合。人們已經(jīng)開發(fā)出幾類使用陶瓷的復合材料。例如，金屬基復合物包括例如鋁或鎳合金的堅韌且可延展的金屬，金屬中包括堅硬、強度大但易碎的陶瓷，其對較軟的金屬進行加強。陶瓷的結(jié)合增加了復合物的強度，而可延展金屬基的存在維持了所需要的韌性和損傷容限的水平。因而，在金屬基復合物中，用于吸收應(yīng)力從而增韌的機制是金屬基的塑性形變。
陶瓷基復合物在基體中不包括韌性金屬相，并且因此通常使用不同于金屬基復合物的增韌機理。例如，在纖維增強陶瓷基復合物中，可以設(shè)計材料的界面層比相應(yīng)的含有纖維和基體的材料更弱。在這種情況下，與在整體的陶瓷中通常觀察到的形成并快速、突變地傳播一條大裂紋不同，通過沿著纖維界面形成許多細小裂紋并傳播，通過纖維在基體中的摩擦滑動，可以吸收應(yīng)變能，并延遲失效，。因此，陶瓷基復合材料試圖在沒有塑性形變的情況下通過結(jié)合允許失效更慢、更為漸進的失效機制來實現(xiàn)韌化。
盡管傳統(tǒng)的陶瓷基復合物(CMC’s)在韌性和損傷容限方面與單片陶瓷材料相比具有改進，但不利于充分利用陶瓷材料所提供的優(yōu)點的問題仍然存在。復合材料通常是其性能僅僅與該混合物中性能最差的組分一樣的混合物。例如在纖維材料中糟糕的抗氧化性能導致整個復合物的抗氧化性能差，因為增強纖維的優(yōu)先退化對整體材料的性能起主要影響。顯然，需要提高材料的耐高溫性能和足夠的損傷容限性能以適應(yīng)所需的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例解決了這種和其它需要。一個實施例是一種包括多個結(jié)構(gòu)部件的材料。該結(jié)構(gòu)部件以一系列遞增的結(jié)構(gòu)部件尺寸等級來構(gòu)造。所述系列具有一基本單元尺寸等級和至少一個模塊化尺寸等級，并且所述至少一個模塊化尺寸等級的部件包括系列中的多個下一個更小尺寸等級的部件?；締卧叽绲燃壍慕Y(jié)構(gòu)部件包括至少一種體相(bulk phase)，并且結(jié)構(gòu)部件在界面處結(jié)合在一起。在模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件中產(chǎn)生的機械損傷在能量方面有利于以分布的方式在包括在模塊化尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件中的多個結(jié)構(gòu)部件中傳播。
第二個實施例是包括上述材料的制品。


當參考附圖閱讀以下詳細說明時，能更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點，其中整個附圖中相同的符號表示相同的部件，其中圖1和2是本發(fā)明的示例性實施例的橫截面示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明某些實施例的模擬的二級層級材料的橫截面示意圖；圖4是模擬的一級層級材料的橫截面示意圖；和圖5是對圖3和圖4中所示材料的計算機模擬測試中產(chǎn)生的負荷-位移數(shù)據(jù)的曲線圖。
具體實施例方式
參考附圖，并且尤其是參考圖1，應(yīng)當理解舉例說明只是為了描述本發(fā)明示例性的實施例而不是旨在限制本發(fā)明。圖1是根據(jù)本發(fā)明的材料的示意性圖示。該材料包含多個以一系列遞增的結(jié)構(gòu)部件尺寸等級構(gòu)造的結(jié)構(gòu)部件100。根據(jù)本發(fā)明實施例，一個結(jié)構(gòu)部件是組織本發(fā)明的材料的一個結(jié)構(gòu)單元，其可類比為構(gòu)成所述材料的“積木”。本文中使用的術(shù)語“尺寸等級”是指部件的等級，其中這種等級的每一部件具有整個等級的平均特征長度的25％之內(nèi)的特征長度。特征長度是結(jié)構(gòu)部件的對于所有尺寸等級被統(tǒng)一地用來表征結(jié)構(gòu)部件的任何的尺寸，例如，具有圓形橫截面的部件的直徑，或具有矩形橫截面的部件的縱向或橫向側(cè)邊(leg)的長度。
結(jié)構(gòu)部件尺寸等級構(gòu)成的這個系列具有基本單元尺寸等級102和至少一種模塊化尺寸等級104。基本單元尺寸等級在材料中包括具有最小特征長度的結(jié)構(gòu)部件。因此，基本單元尺寸等級102的部件是材料的基本結(jié)構(gòu)部件。任何結(jié)構(gòu)均適合用作基本單元尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件，作為示例包括，傳統(tǒng)復合層壓過程中使用的纖維；通常在光刻法過程中制作得到的沉積材料帶；和在分子自組裝過程中使用的自組裝分子簇。基本單元尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件包括至少一個體相103。在一些實施例中，體相103包括陶瓷、有機材料和金屬中的至少一種。在某些實施例中，體相103包括陶瓷材料，并且陶瓷材料包括硼化物、氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硅酸鹽及其混合物和復合物中的至少一種。合適的陶瓷材料的具體實例包括但不局限于碳化硅、碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿、碳化鉬、碳化鉭、氮化硅、氮氧化鋁硅、氮化鋁、氮化鈦、二硼化鈦、二硅化鉬、氧化鋁和硅酸鋁。
至少一個模塊化尺寸等級104的部件包括該系列中的下一個更小尺寸等級的多個部件。合適的模塊化尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件的實例包括但不局限于包含多個共同擠壓得到的纖維的細絲；包含多個上述細絲的材料的層壓塊；包含多個用光刻法或其它構(gòu)圖沉積法制造的材料帶的層；包含多個上述層的材料的塊；從自組裝分子簇的自發(fā)組裝形成的圓柱形管；包含多個上述管的細絲。因此，本發(fā)明的材料是多級的層級材料，其中將基本單元尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件組裝以形成較大的模塊化結(jié)構(gòu)部件，而這些模塊化結(jié)構(gòu)部件在一些實施例中又被組裝來形成更大的模塊化結(jié)構(gòu)部件，依此類推，直到形成系列中最大的尺寸等級。
在圖1所述的示例性實施例中，多個結(jié)構(gòu)部件100在橫截面中被圖示為一系列磚狀部件，但是可以理解為每一塊“磚”實際上可以例如像纖維或材料帶那樣，在垂直于所示的橫截面投影方向半無限地延伸。一個典型的最大尺寸等級106的“磚”包括多個下一個更小尺寸等級108的“磚”，而該尺寸等級108的“磚”又包括多個基本尺寸等級110的“磚”。因此，這個示例性實施例是三級的層級材料，因為材料的結(jié)構(gòu)部件構(gòu)造成一個系列的三種遞增的結(jié)構(gòu)部件尺寸等級。相反，一般的磚墻可以被認為是單級的“等級”，因為它包括僅僅具有一種尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件(磚)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解為在本發(fā)明的實施例中，在逐漸遞增的結(jié)構(gòu)部件尺寸等級的系列中，對于可允許的尺寸等級的數(shù)目沒有理論上限，但是實踐中可能由于所選的制造方法而出現(xiàn)限制。在某些實施例中，系列中尺寸等級的數(shù)目至少為2，而在具體的實施例中，系列中尺寸等級的數(shù)目為3到5。如下所述，具有多于1個尺寸等級能夠明顯降低損傷在整個材料中的傳播并且防止突變失效，提供了在失效之前探測損傷的機會，這點在傳統(tǒng)陶瓷材料中通常是不能獲得的。
基本單元尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件的尺寸由用于形成這些部件的工藝所允許的控制程度決定。例如常用的分子自組裝技術(shù)能制作平均特征長度在約10納米量級的結(jié)構(gòu)部件，如分子簇，而傳統(tǒng)纖維制造方法和光刻技術(shù)的最小特征長度通常局限于微米長度尺度。另外，材料中結(jié)構(gòu)部件的最大尺寸等級僅僅受到由該材料所制作的部件的實際尺寸的限制。
在具體的實施例中，例如圖1所示，在一給定的材料示例中，基本上所有結(jié)構(gòu)部件100，也就是部件100的大于80％，具有大體上相似的形狀，盡管這一條件對于材料的總體可操作性而言并不是必要的。結(jié)構(gòu)部件100的形狀特征在于橫截面幾何形狀，例如，圖1所示的部件100的矩形形狀。術(shù)語“大體上相同的形狀”在這里是指結(jié)構(gòu)部件在尺寸上不同，但是一個尺寸等級的部件的總體幾何形狀與不同尺寸等級的部件相比較，其變化不會大到被本領(lǐng)域技術(shù)人員認為是不同幾何形狀的程度。例如，如圖1所示部件的磚狀橫截面，即使是在不同尺寸等級的部件中發(fā)現(xiàn)例如對精確直角的微小偏離和角部的一些小的圓角，也會被本領(lǐng)域技術(shù)人員認為是大體上相似的矩形。多種橫截面形狀適合用作結(jié)構(gòu)部件100，包括但不局限于矩形橫截面和圓形橫截面。
系列中所有尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件100在界面112處結(jié)合在一起，所述界面112例如為機械互鎖界面、化學鍵合界面和利用機械互鎖和化學鍵合將結(jié)構(gòu)部件結(jié)合在一起的界面。界面112一般在不止一個維度上結(jié)合結(jié)構(gòu)部件100，例如在所有三個維度上結(jié)合結(jié)構(gòu)部件的界面。化學鍵合界面包括至少一個與體相103相區(qū)別的界面相，它在結(jié)構(gòu)部件100的結(jié)合中用作粘合劑。在某些些實施例中，用于將結(jié)構(gòu)部件100結(jié)合在一起的至少一個界面相包括選自下組中的一種材料陶瓷、玻璃陶瓷、碳及其組合。適用于界面相的陶瓷材料的實例包括但不局限于六邊形的氮化硼、磷酸鑭、鋁的氧化物(氧化鋁)、碳化硅鈦(Ti3SiC2)、二氧化硅、氧化鋯以及任何上述材料的混合物和復合物。在某些實施例中，無論被結(jié)合的結(jié)構(gòu)部件的尺寸等級如何，整個材料的界面相相同。在另外一些實施例中，如圖2所示，結(jié)合第一尺寸等級204的結(jié)構(gòu)部件的界面202包括不同于結(jié)合第二尺寸等級208的結(jié)構(gòu)部件的界面206的材料。應(yīng)當理解這里使用的術(shù)語“第一”和“第二”不是指部件尺寸等級系列中的尺寸等級的絕對或相對的位置，而是僅僅用來區(qū)分一個尺寸等級與另一個尺寸等級，并不表示它們在系列中位置。在特殊實施例中，每一尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件通過界面結(jié)合在一起，該界面含有結(jié)合該尺寸等級的界面專用的材料。例如，在具有三個結(jié)構(gòu)部件的尺寸等級的材料中，基本單元尺寸等級的部件通過薄第一材料的界面結(jié)合在一起，僅包括這些基本單元部件的模塊化尺寸等級(也就是，該系列中下一個尺寸等級)的部件通過含有第二材料的界面結(jié)合在一起，而最大尺寸等級部件通過第三界面材料結(jié)合在一起，這樣，第一、第二、第三界面材料彼此不同。
制作界面相可以方便地通過包括例如涂覆方法和滲透方法的幾種已知方法中的任何一種來實現(xiàn)。使用涂覆方法用希望用作界面相的材料包裹結(jié)構(gòu)部件，并且然后將經(jīng)涂覆的部件堆壓在一起，使得涂層材料分布在堆壓的結(jié)構(gòu)部件的空隙中。例如，用希望的界面材料涂覆單體陶瓷纖維，然后仍然處于濕態(tài)(即，仍然含有能被機械處理的粘結(jié)劑和可塑劑)的多個經(jīng)涂覆的纖維被共同擠壓在一起，以形成包括通過界面相(涂覆在纖維上的材料)結(jié)合在一起的多個基本單元結(jié)構(gòu)部件(單體纖維)的細絲。這種細絲，根據(jù)本發(fā)明的實施例，是一模塊化尺寸等級的部件，其又用希望作為第二界面相的材料涂覆，并且多個這種經(jīng)涂覆的細絲共同擠壓成包括通過界面相(第二界面相)結(jié)合在一起的多個結(jié)構(gòu)部件(較小的細絲)的更大尺寸等級的細絲。在其它實施例中，界面材料通過在光刻工藝中選擇性沉積所需材料來制作，有時預先通過選擇性蝕刻法形成接受界面材料的界面區(qū)域?；蛘?，在某些實施例中，界面材料通過滲入貫穿材料的多孔網(wǎng)絡(luò)而分布在所需位置，例如，體相是中孔(mesoporous)陶瓷氧化物，界面材料經(jīng)過真空滲透作用滲入氧化物的中孔網(wǎng)絡(luò)中。涂覆方法包括但不局限于化學氣相沉積、物理氣相沉積、噴涂或浸涂、溶膠凝膠處理等。
另一方面，機械互鎖界面不依賴于界面相的存在來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件的結(jié)合，而是依賴于結(jié)構(gòu)部件表面之間的機械作用形成和維持這種結(jié)合。在某些實施例中，將機械互鎖界面設(shè)計成具有粗糙特征，稱為粗糙度，它們通過順序的滑動和互鎖活動提供非彈性形變。界面處順序的滑動和互鎖受到材料體積的橫向約束，導致伴有應(yīng)變硬化的殘余位移。沿著界面的滑動過程使應(yīng)力集中(stress concentrations)得到緩解，并且因此延遲了顯著裂紋的形成，同時應(yīng)變硬化行為使得沿著相鄰界面的多重位點被激活并且參與該過程。在這些實施例中，沿著界面的粗糙度的幅度和波長被設(shè)計成大到足以形成多重位點，但是不致于大到引起幅度足以導致應(yīng)力集中和材料失效的局部互鎖活動。例如現(xiàn)有技術(shù)中已知，當界面在0.01-0.1的摩擦系數(shù)下發(fā)生滑動時，為了兼顧上述因素，粗糙度必須具有約20-50nm的幅度并以約50-200nm的波長間隔開。在珍珠母(也稱為珠母層)的結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)這種互鎖界面的實例。壓實(但未燒結(jié)的)粉末和共同擠壓的纖維(沒有使用界面相添加劑)是通過所設(shè)計材料中的機械互鎖界面結(jié)合的結(jié)構(gòu)部件的實例。
等級結(jié)構(gòu)與特定體相的結(jié)合及界面相材料的選擇在本發(fā)明的材料中形成有利的條件，其中，在模塊化尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件中最初產(chǎn)生的機械損傷，例如裂紋、空穴、孔隙等，在能量上有利于(也就是需要更少的功)以分布的方式在包括在模塊化尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件中的多個結(jié)構(gòu)部件中傳播。本發(fā)明的一些實施例通過控制界面112的性能實現(xiàn)了這種分布式失效模式。參考圖2，在一些實施例中，將模塊化尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件208結(jié)合在一起的界面206的韌性大于將包括在模塊化尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件208內(nèi)的多個結(jié)構(gòu)部件204結(jié)合在一起的界面202的韌性。如上所述，韌性是在本領(lǐng)域中眾所周知的術(shù)語，指導致材料完全破裂所需要的功，也稱為能量。因此，在材料中最容易破裂的、損傷最可能沿著其傳播的界面是結(jié)合基本單元尺寸等級的部件204的界面，而隨著通過界面結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)部件的尺寸等級的增加，界面經(jīng)常通過材料選擇而被設(shè)計成具有更大韌性。另外，將模塊化尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件208結(jié)合在一起的界面206的韌性小于至少一個體相210的韌性，因此材料韌性最大的部分，也就是最不可能傳播損傷的區(qū)域，是包括基本單元尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件210的材料。通過這種方式，損傷212在能量上有利于沿著由最小尺寸等級結(jié)構(gòu)部件的界面202形成的高度曲折的路徑傳播，而不是像傳統(tǒng)陶瓷材料中常見的那樣直接穿過材料傳播，從而需要更多的能量才能實現(xiàn)整體材料的完全破裂。通過裂紋鈍化和結(jié)構(gòu)部件之間眾多界面的偏轉(zhuǎn)來遏制突然的裂紋傳播，從而提供分布更廣的失效模式，使材料即使受損也能保持其完整性。這樣，本發(fā)明的材料利用了陶瓷材料的優(yōu)點，但是與這些材料通常顯示的韌性相比具有明顯增強的韌性。
界面112(圖1)的性能如韌性可以利用界面112的化學組成，利用它們的物理結(jié)構(gòu)，或其結(jié)合來控制。例如，用含有氮化硼(BN)的界面將基體單元尺寸等級部件結(jié)合在一起稱為模塊化尺寸等級部件。根據(jù)本發(fā)明的實施例，模塊化尺寸等級部件在含有氧化鋁和BN混合物(韌性大于BN)的界面上結(jié)合在一起，形成在能量上有利于損傷沿著BN界面?zhèn)鞑サ牟牧稀?br> 也可以利用界面的結(jié)構(gòu)來控制界面韌性。例如，在一些實施例中，界面112包括具有預定孔隙率水平的材料。在特定實施例中，界面112的孔隙率水平作為對應(yīng)于界面112的結(jié)構(gòu)部件100的尺寸等級的一函數(shù)而變化。例如，在一些實施例中，化學鍵合界面(也就是，那些包括界面相的界面)包括燒結(jié)材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解通過控制燒結(jié)參數(shù)，例如燒結(jié)溫度、時間和初始材料，可以將這個實施例中的燒結(jié)材料的孔隙率控制到希望的水平，從而將界面的孔隙率控制到希望的水平。使用涂覆和滲透方法在結(jié)構(gòu)部件上分布要用作界面相的材料情況下，根據(jù)已知的關(guān)系控制工藝參數(shù)以控制孔隙率水平，從而獲得希望的結(jié)果。通常，界面空隙率越高，界面強度越小且韌性越小，因為在界面上形成結(jié)合點的材料較少。
本發(fā)明的其它實施例包括含有本發(fā)明材料(如這里所述的材料)的制品。在具體的實施例中，制品包含燃氣輪機機組的部件，包括但不局限于渦輪葉片、翼片、護罩和燃燒器部件。
根據(jù)本發(fā)明實施例的材料和制品是使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的多種技術(shù)制造的，這些技術(shù)包括但不局限于自組裝技術(shù)、傳統(tǒng)層壓技術(shù)和光刻技術(shù)。分子自組裝技術(shù)是“倒置”的制作方法，其中具有強極性特征的化學初級粒子(precursor)自動排列成根據(jù)初級粒子的分子間靜電相互作用組裝的可預測的、周期性結(jié)構(gòu)。根據(jù)初級粒子的選擇，這種組裝可以是自發(fā)的(由于自然發(fā)生的相互作用)，或者可以通過施加外部電場、磁場、或其它場來激發(fā)，稱為“導向自組裝”技術(shù)。一些技術(shù)結(jié)合使用自發(fā)和導向自組裝來激發(fā)結(jié)構(gòu)組裝成有用的三維幾何形狀，例如纖維、薄片和球。與本發(fā)明實施例相符合的多相結(jié)構(gòu)，例如其中包含至少一個體相和至少一個界面相的材料，可以通過將體相組裝成中孔“框架”并然后用上述界面相滲透這些孔來實現(xiàn)，其中上述實現(xiàn)方法是一非限制性的示例。也可以如上所述，利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的幾種合適的技術(shù)，將界面相材料涂覆到包括至少一種體相的顆粒表面或組裝件上。在工藝程序的各步驟中，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當認識到，可以用各種轉(zhuǎn)化步驟使初級粒子轉(zhuǎn)變成中間體或最終復合物。轉(zhuǎn)化步驟可以包括暴露于熱量、其它化合物、電磁輻射和適合于實現(xiàn)化學組成改變的其它外部作用中。分子自組裝方法的結(jié)果是，由分子初級粒子形成三維層級材料，并且能通過包括但不局限于擠壓、注模等的幾種適合方法中的任何一種來形成希望的形狀。
用于加工復合材料的層壓技術(shù)在本領(lǐng)域中是已知的，其適合用于制作本發(fā)明的材料。作為非限制性實例，具有各種各樣橫截面形狀中任何一種的單體陶瓷纖維或陶瓷棒，具有分布于纖維間空隙中的第一界面材料(例如，在擠壓之前用界面材料涂覆纖維或棒)，其被共同擠壓形成細絲，其中每根細絲包括通過第一界面材料結(jié)合在一起的多個纖維。然后將這些細絲涂覆一層第二界面材料，當將細絲層壓在一起、共同擠壓或者以其它方式加工以形成系列中的下一級結(jié)構(gòu)部件時，第二界面材料用作將細絲結(jié)合在一起的界面材料。第二界面材料被選擇為具有符合上述本發(fā)明某些實施例的諸如韌性的性能，以促進損傷在細絲中包括的結(jié)構(gòu)部件中分布(例如，沿著由第一界面材料界定的路徑)。
光刻法和其它平版印刷技術(shù)是適合用于制造本發(fā)明材料的另一類已知的制作技術(shù)。這些方法結(jié)合使用目標蝕刻和選擇性的材料沉積在基體上形成希望的圖案。圖案可以是兩維或三維的，并可以通過將構(gòu)圖重復所需的次數(shù)來形成希望的厚度。適當使用已知的選擇性沉積和蝕刻技術(shù)能制作多種結(jié)構(gòu)部件和相應(yīng)的界面。例如，在基體上沉積一層體相材料，然后選擇性蝕刻形成一系列緊密間隔的體相的帶。這些帶是所制作材料中的基本單元尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件。然后將第一界面材料選擇性沉積在這些帶之間的空隙中。用第一界面相結(jié)合在一起的這體相的層是模塊化尺寸等級的結(jié)構(gòu)部件。然后用韌性比第一界面相更高但是比體相韌性低的第二界面材料涂覆該層，然后象在前一層中一樣，將另一層體相/第一界面材料沉積在第二界面材料的頂部。重復構(gòu)圖以形成希望厚度的層級材料。
實施例以下實施例用于進一步描述和解釋本發(fā)明的實施例，無論如何不應(yīng)該理解為對本發(fā)明的范圍的限制。
參考圖3，計算機模擬被設(shè)計用來對本發(fā)明實施例的材料500的行為進行建模?；締卧叽绲燃壍慕Y(jié)構(gòu)部件502在橫截面上是矩形磚，并且這些磚502被組織成矩形的模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件504，使得每一模塊化尺寸部件504包含5層(course)，每層含有6塊磚502。將磚502結(jié)合在一起的第一界面層材料508被模制成韌性為將模塊化尺寸等級部件504結(jié)合在一起的第二界面材料510的韌性的0.1倍，并且為磚502本身的韌性的0.01倍。在模擬中模建的材料500由5層模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件504組成，每層有三個部件504。該模型模擬了施加到材料500上的單軸應(yīng)力狀態(tài)512，其中模型材料一端的邊界被固定，并且在相反一端施加恒定的位移，逐步增加固定位移的量。在每一步中，計算該相反端處的響應(yīng)負荷，并逐步增加位移直到模型顯示出材料失效。為了比較，參考圖4，模建了第二模擬材料600，其中，第二材料600僅僅由磚602和將磚結(jié)合在一起的界面材料604組成。對于這個對比材料600，除了這個材料600沒有本發(fā)明材料中的模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件504之外，邊界條件相同。這樣，第二模擬材料600模建了單級“層級”，而第一材料500模建了二級材料層級。
模擬結(jié)果清楚顯示，本發(fā)明的材料比單級層級材料更具優(yōu)越性。圖5示出了二級層級材料500(圖3)和單級材料600(圖4)的負荷-位移數(shù)據(jù)，二級層級材料500的數(shù)據(jù)標記為曲線A，單級材料600的數(shù)據(jù)標記為曲線B。曲線A清楚顯示出比曲線B更高的強度(曲線的相對高度)和韌性(曲線下的面積)，展現(xiàn)了由于本發(fā)明材料的層級材料和材料選擇而獲得的優(yōu)越的機械性能。
雖然在本文中描述了多種實施例，從說明書應(yīng)當理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種元素的組合、變形、等同、或改進，并且仍然落在本發(fā)明所附權(quán)利要求書所界定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種材料，其包括多個結(jié)構(gòu)部件(100)，所述部件(100)以一系列遞增的結(jié)構(gòu)部件的尺寸等級構(gòu)造，所述系列具有一基本單元尺寸等級(102)和至少一個模塊化尺寸等級(104)，其中所述至少一個模塊化尺寸等級(104)的部件包括所述系列中多個下一個更小尺寸等級的部件；其中所述基本單元尺寸等級(102)的所述結(jié)構(gòu)部件包括至少一種體相(103)；其中所述結(jié)構(gòu)部件(100)在界面(112)處結(jié)合在一起，并且其中在模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(104)內(nèi)產(chǎn)生的機械損傷(212)在能量上有利于以分布的方式在包括在所述模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(104)內(nèi)的所述多個結(jié)構(gòu)部件中傳播。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中將模塊化尺寸等級部件(208)結(jié)合在一起的所述界面(206)的韌性大于將包括在所述模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(208)內(nèi)的所述多個結(jié)構(gòu)部件(204)結(jié)合在一起的所述界面(202)的韌性，并且其中將所述模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(208)結(jié)合在一起的所述界面(206)的所述韌性小于所述至少一種體相(210)的韌性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述界面(112)選自由機械互鎖界面、化學鍵合界面及其組合所組成的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的材料，其中所述界面(112)包括化學鍵合界面，并且其中所述界面(112)包括至少一種界面相。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中結(jié)合一第一尺寸等級(204)的結(jié)構(gòu)部件的所述界面(202)包括不同于結(jié)合一第二尺寸等級(208)的結(jié)構(gòu)部件的界面(206)的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的材料，其中所述界面相包括選自由陶瓷、玻璃陶瓷、碳、及其混合物所組成的組的一種材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的材料，其中所述界面相包括六邊形氮化硼、磷酸鑭、鋁氧化物(氧化鋁)、碳化硅鈦(Ti3SiC2)、二氧化硅、氧化鋯以及任何前述材料的混合物和復合物中的至少一種材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的材料，其中所述化學鍵合界面包括燒結(jié)材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中所述至少一種體相(103)包括陶瓷、有機材料和金屬中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的材料，其中所述陶瓷包括氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硅酸鹽及其混合物中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的材料，其中所述陶瓷包括碳化硅、碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿、碳化鉬、碳化鉭、氮化硅、氮氧化鋁硅、氮化鋁、氮化鈦、二硼化鈦、二硅化鉬、氧化鋁和硅酸鋁。
12.一種材料，其包括多個結(jié)構(gòu)部件(100)，所述部件(100)以一系列遞增的結(jié)構(gòu)部件尺寸等級構(gòu)造，所述系列具有一基本單元尺寸等級(102)和至少一個模塊化尺寸等級(104)，其中所述至少一個模塊化尺寸等級(104)的部件包括所述系列中多個下一個更小尺寸等級的部件；其中所述基本單元尺寸等級(102)的所述結(jié)構(gòu)部件包括至少一種包括氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硅酸鹽及其混合物中的至少一種的體相(103)；其中所述結(jié)構(gòu)部件(100)在包括至少一種界面相的化學鍵合界面(112)處結(jié)合在一起，所述界面相包括陶瓷、玻璃陶瓷、碳及其混合物；其中結(jié)合模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(208)的所述界面(206)的韌性大于將包括在所述模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(208)內(nèi)的所述多個結(jié)構(gòu)部件(204)結(jié)合在一起的所述界面(202)的韌性，并且其中將所述模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(208)結(jié)合在一起的所述界面(206)的所述韌性小于所述至少一種體相(210)的韌性。
13.一種制品，其包括包括多個結(jié)構(gòu)部件(100)的材料，所述部件(100)以一系列遞增的結(jié)構(gòu)部件尺寸等級構(gòu)造，所述系列具有一基本單元尺寸等級(102)和至少一個模塊化尺寸等級(104)，其中所述至少一個模塊化尺寸等級(104)的部件包括所述系列中多個下一個更小尺寸等級的部件；其中所述基本單元尺寸等級(102)的所述結(jié)構(gòu)部件包括至少一種體相(103)；其中所述結(jié)構(gòu)部件(100)在界面(112)處結(jié)合在一起，并且其中在模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(104)內(nèi)產(chǎn)生的機械損傷(212)在能量上有利于以分布的方式在包括在所述模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部(104)內(nèi)的所述多個結(jié)構(gòu)部件中傳播。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的制品，其中所述制品包括燃氣輪機機組的部件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種材料和包括這種材料的制品。該材料包括多個結(jié)構(gòu)部件(100)。結(jié)構(gòu)部件(100)以一系列遞增的結(jié)構(gòu)部件尺寸等級構(gòu)造。所述系列具有一基本單元尺寸等級(102)和至少一個模塊化尺寸等級(104)，并且所述至少一個模塊化尺寸等級(104)的部件包括系列中多個下一個更小尺寸等級的部件?；締卧叽绲燃?102)的結(jié)構(gòu)部件包括至少一種體相(103)；并且結(jié)構(gòu)部件(100)在界面(112)處結(jié)合在一起。在模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部件(104)內(nèi)產(chǎn)生的機械損傷(212)在能量上有利于以分布的方式在包括在模塊化尺寸等級結(jié)構(gòu)部(104)內(nèi)的所述多個結(jié)構(gòu)部件中傳播。
文檔編號B32B3/02GK1883934SQ2005100837
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者莫漢·馬諾哈蘭, 威廉·P·明尼爾, 雷扎·薩拉菲-諾爾, 克里尚·L·盧思拉 申請人:通用電氣公司