埋石墨法制备氟硅碱钙石微晶玻璃结合B4C复合材料

论文摘要

氟硅碱钙石微晶玻璃,内含大量随机取向的、互锁刀刃状的晶体,是一种高韧性微晶玻璃。其显示出的高断裂强度（281MPa）和高断裂韧性（4.8-5.2MPa·m1/2）,甚至超过了断裂韧性为4-5MPa·m1/2的高强度Al2O3陶瓷。这种玻璃容易熔化,熔融时粘度低,可在950℃下进行浇铸、压制或压延,冷却后,具有可加工性能。由于它具有高强度、高韧性等性能,可以用作计算机硬盘基板材料。在配方中添加P2O5,可使之具备一定的生物活性,能用作替代骨组织的生物材料。但是氟硅碱钙石微晶玻璃的耐磨性较低,带来推广的困难。希望通过加入碳化硼,制备耐磨性好的氟硅碱钙石微晶玻璃结合B4C复合材料。使材料耐磨性提高,达到预期的使用要求。本文就氟硅碱钙石微晶玻璃及碳化硼复合材料的制备方法作了系统和详尽的概述。选取氟硅碱钙石微晶玻璃作为碳化硼的结合剂,通过常压低温快速烧结制备出碳化硼结合微晶玻璃复合材料。实验准备首先通过水淬法制备出基础玻璃粉,根据DTA分析、XRD分析,通过热处理制备出了以氟硅碱钙石和枪晶石为主晶相的微晶玻璃；测定了微晶玻璃的热膨胀系数与碳化硼相近。然后通过正交实验研究基础玻璃粉成分,基础玻璃粉含量,烧成温度,烧成保温时间等几个因素对复合材料开口气孔率影响力的大小,结果发现基础玻璃粉含量对复合材料开口气孔率影响最大,其次是烧成温度、烧成保温时间、基础玻璃粉成分等工艺因素。优化实验证明,随着基础玻璃粉含量的增加,复合材料的表面气孔率下降。SEM,XRD和EDS分析表明复合材料由棒状的枪晶石晶体、颗粒状的碳化硼和玻璃相组成。各工艺因素对材料开口气孔率和物相的影响规律及机理,本文也通过实验做了细致的分析,确定了最佳的制备工艺。最后,最优化工艺下制备的样品进行抗弯强度、断裂韧性、耐磨性的测试。测试结果如下：其常温下三点抗弯强度为161.6MPa；断裂韧性为3.8 Mpa·m1/2；体积磨损率为0.106×10-6mm3/N·m具有较好的耐磨性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微晶玻璃
• 1.1.1 微晶玻璃的种类
• 1.1.2 微晶玻璃的工艺原理
• 1.1.3 微晶玻璃的制备工艺
• 1.2 氟硅碱钙石微晶玻璃的应用
• 1.2.1 生物材料
• 1.2.2 计算机硬盘基板材料
• 1.2.3 可机械加工材料
• 1.3 碳化硼陶瓷
• 1.3.1 碳化硼陶瓷的结构
• 1.3.2 碳化硼陶瓷的制备工艺
• 1.3.3 碳化硼陶瓷的应用
• 1.4 微晶玻璃复合材料的研究现状与进展
• 1.4.1 氮化硅与微晶玻璃复合材料的研究进展
• 4复合材料'>1.4.2 微晶玻璃结合ZrSiO₄复合材料
• 1.4.3 微晶玻璃结合Y-PSZ复合材料
• 1.4.4 微晶玻璃结合钛酸铝复合材料
• 1.4.5 微晶玻璃结合碳纤维复合材料
• 1.5 课题研究的目的、意义和主要内容
• 1.5.1 实验的目的与意义
• 1.5.2 实验的主要内容
• 第二章 实验原料和仪器设备以及制备工艺
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验工艺
• 2.3.1 氟硅碱钙石微晶玻璃的组成设计
• 2.3.2 微晶玻璃熔块的制备工艺
• 2.3.3 复合材料的制备工艺
• 2.3.4 复合材料的烧成制度
• 2.4 测试表征方法
• 2.4.1 X射线衍射分析
• 2.4.2 扫描电子显微镜分析
• 2.4.3 基础玻璃粉的差热分析
• 2.4.4 微晶玻璃热膨胀系数的测定
• 2.4.5 粉体粒度的测试
• 2.4.6 材料开口气孔率的测试
• 2.4.7 抗弯强度的测试
• 2.4.8 耐磨性的测试
• 2.4.9 维氏硬度的测试
• 2.5 本章小结
• 第三章 氟硅碱钙石微晶玻璃的制备和表征
• 3.1 引言
• 3.2 基础玻璃粉的制备
• 3.2.1 微晶玻璃设计的原则
• 3.2.2 基础玻璃粉的制备
• 3.3 基础玻璃粉的性能分析
• 3.3.1 基础玻璃粉的粒度分析
• 3.3.2 基础玻璃粉的物相分析
• 3.3.3 综合热分析
• 3.3.4 X射线衍射分析
• 3.3.5 微晶玻璃的热膨胀系数的测定
• 3.3.6 微晶玻璃的显微结构分析
• 3.3.7 微晶玻璃的点能谱分析
• 3.3.8 抗弯强度的测试
• 3.3.9 耐磨性的测试
• 3.3.10 维氏硬度的测试
• 3.3.11 机械加工性能的测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 正交实验研究复合材料的制备工艺
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.3 实验结果与分析
• 4C粉体的物相分析'>4.3.1 B₄C粉体的物相分析
• 4C粉体的粒度分析'>4.3.2 B₄C粉体的粒度分析
• 4.3.3 埋石墨法烧结样品的物相分析
• 4.3.4 正交实验
• 4.3.5 物相分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 制备工艺对材料气孔率及物相的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.3 结果与讨论
• 4C混磨后粉体的粒度分析'>5.3.1 基础玻璃粉与B₄C混磨后粉体的粒度分析
• 5.3.2 基础玻璃粉配方对材料开口气孔率的影响
• 5.3.3 基础玻璃粉含量对材料开口气孔率的影响
• 5.3.4 烧成温度对材料开口气孔率的影响
• 5.3.5 烧成保温时间对材料开口气孔率的影响
• 5.3.7 复合材料的断裂韧性的测试
• 5.3.8 耐磨性的测试
• 5.3.9 烧成温度对复合材料物相的影响
• 5.3.10 复合材料的断面SEM分析和能谱分析
• 5.3.11 机械加工性能的测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1:基础玻璃粉CANA1的粒度分析报告
• 附录2:基础玻璃粉CANA2的粒度分析报告
• 附录3:基础玻璃粉CANA3的粒度分析报告
• 附录4:基础玻璃粉CANA4的粒度分析报告
• 附录5:基础玻璃粉CANA1的热膨胀系数分析报告
• 附录6:基础玻璃粉CANA2的热膨胀系数分析报告
• 附录7:基础玻璃粉CANA3的热膨胀系数分析报告
• 附录8:基础玻璃粉CANA4的热膨胀系数分析报告
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 答辩委员会对论文的评定意见