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Al2O3-TiN基复合陶瓷材料的制备及性能

2020-12-07阅读(990)

Al2O3-TiN基复合陶瓷材料的制备及性能

论文摘要

本文采用热压烧结工艺制备了不同粒径的α-Al2O3基体、不同助烧剂SiO2含量和纳米TiNp含量的Al2O3-TiN基复合陶瓷材料。利用XRD、SEM、TEM分析了复合材料的微观组织结构;采用维氏压痕法、三点弯曲法和单边缺口梁法评定了复合材料的力学性能;通过电学性能试验系统地研究了TiN含量和α-Al2O3粒径对复合陶瓷电阻率、耐高压性能的影响,并探讨了导电机理。研究发现,以SiO2为助烧剂的Al2O3-TiN基复合陶瓷材料的致密度都达到了98%以上,说明添助烧SiO2能有效地促进材料的致密化,同时控制其加入量,可使材料具有优异的力学性能,例如维氏硬度最高达到22.3GPa,断裂韧性在45MPa·m1/2之间,三点弯曲强度最高达到561MPa。基体α-Al2O3采用7.5μm和20nm两种粒径,复合陶瓷的力学性能试验表明,微米基体复合陶瓷的维氏硬度在20GPa以上,最大达到25.5GPa;断裂韧性在46MPa·m1/2之间,三点弯曲强度最高达到578MPa。纳米基体复合陶瓷的维氏硬度在10GPa以上,最大值为16.0GPa,断裂韧性在46MPa·m1/2之间,三点弯曲强度最高达到566MPa。与Micro-Al2O3基复合陶瓷材料相比,Nano-Al2O3基复合陶瓷材料的硬度小,强度和断裂韧性相近,而两种复合陶瓷的力学性能都是由于纳米颗粒TiN的加入而增强。Al2O3-TiN基复合陶瓷材料具有高强度和高断裂韧性的主要原因在于,高熔点和高硬度的TiNp均匀分散在基体中,可以对基体的位错运动产生钉扎作用,同时TiN与Al2O3基体膨胀系数存在差别而造成热膨胀失配导致残余应力增韧。断裂类型主要是沿晶断裂。电学性能试验发现,Micro/Nano-Al2O3基复合陶瓷的电阻率随TiNp含量的增加而降低,在TiNp含量为10vol.%时,电阻率都满足设计的要求。与Nano-Al2O3基复合陶瓷的电学性能相比,Micro-Al2O3基复合陶瓷的电阻率要高,而且耐压可达7000V/cm,耐高压性能较强,电压稳定性较好。从TEM显微组织观察分析得知,Nano-Al2O3基复合陶瓷材料中,导电相TiN分布在基体Al2O3边界较多;其次由于微米体系的基体比纳米体系的基体大,从而造成Micro-Al2O3基复合陶瓷材料的导电网络更难形成。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景
  • 2O3-TiN 复合陶瓷的结构、制备工艺和性能'>1.2 Al2O3-TiN 复合陶瓷的结构、制备工艺和性能
  • 2O3-TiN 复合陶瓷的原料结构与性能'>1.2.1 Al2O3-TiN 复合陶瓷的原料结构与性能
  • 2O3-TiN 基复合陶瓷材料的制备'>1.2.2 Al2O3-TiN 基复合陶瓷材料的制备
  • 2O3-TiN 基复合陶瓷材料的组织结构与性能'>1.2.3 Al2O3-TiN 基复合陶瓷材料的组织结构与性能
  • 2O3-TiN 基复合陶瓷材料的应用'>1.3 Al2O3-TiN 基复合陶瓷材料的应用
  • 2O3-TiN 复合陶瓷材料的研究进展'>1.4 Al2O3-TiN 复合陶瓷材料的研究进展
  • 1.5 研究的目的、意义和内容
  • 1.5.1 研究的目的和意义
  • 1.5.2 主要研究内容
  • 第2章 材料与试验方法
  • 2.1 试验用原料
  • 2O3 粉'>2.1.1 微米α-Al2O3粉
  • 2O3 粉'>2.1.2 纳米α-Al2O3粉
  • 2.1.3 石英玻璃粉
  • 2.1.4 纳米TiN 粉
  • 2.2 复合材料设计方案和制备工艺
  • 2.2.1 复合陶瓷的成分设计
  • 2.2.2 原料混合
  • 2.2.3 烧结工艺
  • 2.3 试验方法
  • 2.3.1 直流电导率测试
  • 2.3.2 基本力学性能测试
  • 2.3.3 XRD 物相分析
  • 2.3.4 微观组织分析
  • 2O3基复合陶瓷的组织和力学性能'>第3章 Micro-Al2O3基复合陶瓷的组织和力学性能
  • 3.1 助烧剂含量对复合陶瓷的显微组织与力学性能的影响
  • 3.1.1 XRD 物相组成
  • 3.1.2 助烧剂含量不同时复合陶瓷的密度
  • 3.1.3 不同助烧剂含量的复合陶瓷的能谱分析及组织结构
  • 3.1.4 不同助烧剂含量的复合陶瓷的室温力学性能
  • 3.1.5 增韧机制
  • 3.2 TiN 含量对复合陶瓷材料的显微组织与力学性能的影响
  • 3.2.1 XRD 物相组成
  • 3.2.2 不同TiN 含量的复合陶瓷的密度
  • 3.2.3 不同TiN 含量的复合陶瓷的组织结构
  • 3.2.4 不同TiN 含量的复合陶瓷的室温力学性能
  • 2O3 基复合陶瓷材料的增韧机制'>3.2.5 Micro-Al2O3基复合陶瓷材料的增韧机制
  • 3.3 本章小结
  • 2O3基复合陶瓷的组织和力学性能'>第4章 Nano-Al2O3基复合陶瓷的组织和力学性能
  • 4.1 XRD 物相组成
  • 2O3-TiN 复合陶瓷的密度'>4.2 Nano-Al2O3-TiN 复合陶瓷的密度
  • 2O3 基复合陶瓷的显微组织'>4.3 Nano-Al2O3基复合陶瓷的显微组织
  • 4.3.1 表面显微组织
  • 4.3.2 TEM 显微组织
  • 2O3 基复合陶瓷的室温力学性能'>4.4 Nano-Al2O3基复合陶瓷的室温力学性能
  • 4.4.1 维氏硬度
  • 4.4.2 三点弯曲强度和弹性模量
  • 4.4.3 断裂韧性
  • 2O3 基复合陶瓷陶瓷的增韧机制'>4.5 Nano-Al2O3基复合陶瓷陶瓷的增韧机制
  • 4.5.1 断口形貌观察
  • 4.5.2 压痕裂纹扩展的SEM 观察
  • 4.6 本章小结
  • 2O3基复合陶瓷的电学性能'>第5章 Al2O3基复合陶瓷的电学性能
  • 2O3 基复合陶瓷材料的电学性能'>5.1 Micro/Nano-Al2O3基复合陶瓷材料的电学性能
  • 2O3 基复合陶瓷材料的耐高压性能'>5.2 Micro/Nano-Al2O3基复合陶瓷材料的耐高压性能
  • 2O3 基复合陶瓷材料的导电机理'>5.3 Micro/Nano-Al2O3基复合陶瓷材料的导电机理
  • 5.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢

    • 相关论文文献

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