氧化铝基结构陶瓷材料设计及其性能研究

氧化铝基结构陶瓷材料设计及其性能研究

论文题目: 氧化铝基结构陶瓷材料设计及其性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 张希华

导师: 张建华

关键词: 氧化铝,结构陶瓷,中间合金,透辉石

文献来源: 山东大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文从氧化铝(Al2O3)基陶瓷材料成分设计入手,提出了利用AlTiC中间合金将碳化钛(TiC)弥散到Al2O3基体中的过渡液相烧结新方法。探讨了AlTiC中间合金、氧化锆(ZrO2)、透辉石等颗粒对复合材料的硬度、断裂韧性、抗弯强度、抗热震性和摩擦磨损等性能的影响;建立了材料的硬度、抗弯强度、断裂韧性与AlTiC加入量的关系。通过优化组分配比、制备和烧结工艺,成功开发了新型Al2O3基陶瓷喷砂嘴、陶瓷平板、陶瓷空心梁等。 通过加入AlTiC中间合金,把TiC颗粒作为增韧补强相引入到Al2O3基体材料中,使TiC颗粒在Al2O3基体中能够充分地弥散,不仅显著提高了材料的硬度和断裂韧性,而且降低了烧结温度。在AlTiC中间合金增韧补强Al2O3基陶瓷材料基础上,加入适量的ZrO2,能够与AlTiC中间合金相互协同作用,进一步提高材料的硬度和断裂韧性;加入透辉石作为助剂,材料具有层状结构,晶粒呈针状,透辉石形成的玻璃相不仅可以降低烧结温度,加快烧结过程,抑制晶粒长大,而且能够消除气孔和间隙,有利于材料的致密化;加入少量混合稀土,能够提高渗氮效果,改善材料的力学性能。 当加入的AlTiC中间合金为10Vol.%左右时,材料的硬度、断裂韧性达到最大值,而材料的抗弯强度在AlTiC中间合金加入量为15Vol.%左右时达到最大值。 通过对球磨后混合粉末的显微结构和烧结体的显微结构进行分析,探讨了AlTiC中间合金、ZrO2等增韧补强Al2O3基陶瓷材料的机理。在球磨后的粉料中,仍含有AlTiC中间合金;在烧结过程中,AlTiC中的Al在高温下熔化,浸润Al2O3、ZrO2等固相后,部分与氮气反应生成AlN,剩余部分挥发掉。AlTiC中间合金的加入可以降低Al2O3基陶瓷材料的烧结温度,提高材料的断裂韧性。在烧结过程中,AlTiC中间合金中的金属Al,对Al2O3基体有很好的润湿效果。与纯Al2O3陶瓷材料相比,新型Al2O3基陶瓷复合材料的组成颗粒更加细小,说明AlTiC中间合金对Al2O3的细化作用显著。AlTiC中间合金的加入不仅抑制了晶粒异常长大,减小了晶粒尺寸,同时也促进了晶粒大小的均匀化。 通过对材料宏观与微观结构设计及组分与工艺的优化,提高了Al2O3基陶瓷材

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 氧化铝基结构陶瓷材料研究的背景

1.2 氧化铝基结构陶瓷材料的制备方法研究

1.2.1 利用添加剂改善Al_2O_3陶瓷材料的微观结构及性能

1.2.2 金属定向氧化法(DIMOX)制各的Al_2O_3/Al材料

1.3 氧化铝基结构陶瓷材料的增韧方法和机理研究

1.3.1 氧化铝基结构陶瓷材料常见的增韧方法

1.3.1.1 晶须和纤维增韧

1.3.1.2 ZrO_2相变增韧

1.3.1.3 颗粒增韧

1.3.1.4 复合增韧

1.3.2 氧化铝基陶瓷材料常见增韧机理

1.3.2.1 应力诱导相变增韧

1.3.2.2 微裂纹增韧

1.3.2.3 裂纹反射(分岔)和裂纹扭转增韧

1.3.2.4 桥联增韧

1.3.2.5 弥散增韧

1.4 氧化铝基结构陶瓷材料的抗热震性研究

1.5 本课题研究的目的、意义和主要内容

1.5.1 本课题研究的目的和意义

1.5.2 主要研究内容

第2章 氧化铝基结构陶瓷材料的成分设计

2.1 氧化铝基结构陶瓷材料成分设计应考虑的因素

2.2 增韧补强相的选择

2.2.1 氧化铝、碳化钛陶瓷的结构与性能

2.2.2 AlTiC中间合金的结构和性能

2.2.3 粉体颗粒的设计

2.3 氧化铝基结构陶瓷材料的成分设计原则

2.3.1 相容性原则

2.3.2 抗蠕变性原则

2.3.3 抗热震性原则

2.3.4 新型氧化铝基结构陶瓷材料的设计思路

2.4 氧化铝基复合陶瓷喷沙嘴材料的设计

2.5 本章小结

第3章 AlTiC增韧补强氧化铝基结构陶瓷材料制备及其物理机械性能

3.1 材料制备工艺设计

3.1.1 工艺设计思路

3.1.2 粉体制备

3.1.3 配料工艺

3.1.4 成型工艺

3.1.5 烧结工艺

3.1.5.1 烧结温度与时间

3.1.5.2 烧结压力与气氛

3.1.5.3 烧结助剂的选取

3.2 性能测试与分析

3.2.1 硬度测试方法

3.2.2 抗弯强度测试

3.2.3 断裂韧性测试

3.2.4 结果分析

3.3 陶瓷复合材料烧结体的成分分析

3.3.1 氧化铝基陶瓷复合材料的XRD分析

3.3.2 能谱分析

3.4 AlTiC中间合金对复合材料的影响

3.4.1 AlTiC的加入对烧结温度的影响

3.4.2 AlTiC对氧化铝基体晶粒生长的影响

3.4.3 AlTiC中间合金对陶瓷材料断裂方式的影响

3.4.4 AlTiC中间合金对复合材料断裂韧性和抗弯强度的影响

3.4.5 AlTiC与氧化铝基体的湿润性研究

3.5 本章小节

第4章 氧化锆、透辉石和稀土元素分别对AlTiC增韧Al_2O_3陶瓷复合材料的影响

4.1 氧化锆对AlTiC增韧Al_2O_3陶瓷复合材料的影响

4.1.1 氧化锆对AlTiC增韧Al_2O_3陶瓷复合材料力学性能的影响

4.1.2 Al_2O_3/AlTiC/ZrO_2陶瓷复合材料的XRD分析

4.1.3 Al_2O_3/AlTiC/ZrO_2陶瓷复合材料扫描电镜(SEM)分析

4.1.4 Al_2O_3/AlTiC/ZrO_2陶瓷复合材料能谱和高分辨(TEM)分析

4.1.5 内晶型结构的形成机理

4.2 透辉石对AlTiC增韧氧化铝陶瓷复合材料结构和性能的影响

4.2.1 透辉石的组成及其对氧化铝基陶瓷材料性能的影响

4.2.2 透辉石对陶瓷复合陶瓷材料显微结构的影响

4.2.3 透辉石对陶瓷复合陶瓷材料气孔的影响

4.3 稀土元素对AlTiC增韧氧化铝陶瓷复合材料性能的影响

4.4 AlTiC中间合金含量对氧化铝陶瓷复合材料性能的影响

4.5 与国内、外同类研究比较

4.5.1 氧化铝/碳化钛复合陶瓷的性能比较

4.5.2 制备工艺比较

4.6 本章小结

第5章 显微结构与强韧化机理分析

5.1 粉料的微观结构分析

5.1.1 混合粉料的成分分析

5.1.2 球磨后混合粉料的颗粒大小分析

5.1.3 球磨后混合粉料的成分分布分析

5.2 氧化铝基陶瓷复合材料的显微结构分析

5.2.1 氧化铝基陶瓷复合材料显微结构的表征

5.2.2 烧结体晶粒大小分析

5.2.3 烧结试样电子探针(EPMA)分析

5.2.4 烧结体中气孔和玻璃相分析

5.2.4.1 烧结体中的气孔分析

5.2.4.2 玻璃相分析

5.3 复合材料强韧化机理分析

5.3.1 氧化铝基结构陶瓷材料中位错的形成

5.3.2 氧化铝基结构陶瓷材料的界面分析

5.4 本章小结

第6章 新型陶瓷材料的摩擦磨损性能和抗热震性研究

6.1 新型陶瓷材料的摩擦磨损性能研究

6.1.1 材料的摩擦系数测量

6.1.2 氧化铝基结构陶瓷材料磨损率的测量

6.1.3 氧化铝基结构陶瓷材料的摩擦磨损特性分析与讨论

6.1.3.1 室温条件下,载荷和摩擦速度对摩擦磨损特性的影响

6.1.3.2 力学性能和微观结构对摩擦磨损特性的影响

6.2 氧化铝基结构陶瓷材料的抗热震性能和热疲劳性研究

6.2.1 试样制备及材料抗热震性能的测试

6.2.2 材料的抗热震性能实验结果与讨论

6.2.3 影响材料抗热震性的主要因素

6.2.4 材料抗热震性能改善的机理

6.2.5 AlTiC中间合金对氧化铝基陶瓷材料抗热震性能的影响

6.3 本章小结

第7章 氧化铝基陶瓷复合材料烧结动力学研究

7.1 成型和烧结过程分析

7.2 AlTiC中间合金促进液相烧结原理分析

7.3 材料界面的化学相容性

7.4 烧结机理研究

7.4.1 氧化铝基陶瓷复合材料烧结过程分析

7.4.2 烧结驱动力分析

7.4.3 添加剂的作用

7.5 本章小结

第8章 氧化铝基陶瓷复合材料产品的开发

8.1 陶瓷喷沙嘴的研究开发

8.1.1 陶瓷喷嘴的研究现状

8.1.2 陶瓷喷沙嘴的制备及性能分析

8.2 氧化铝基大型结构陶瓷材料的研究与产品开发

8.2.1 氧化铝基大型结构陶瓷材料的成型工艺研究

8.2.2 注浆成型容易产生的缺陷

8.2.3 氧化铝基大型陶瓷构件的烧结工艺研究

8.2.3.1 氧化铝基大型陶瓷构件烧结方法研究

8.2.3.2 “折线式烧结法”工艺探讨

8.2.4 氧化铝基大型结构陶瓷构件烧结机理研究

8.2.4.1 烧结过程分析

8.2.4.2 坯体的烧结收缩率

8.2.5 氧化铝基大型陶瓷空心梁、平板的制备

8.2.6 氧化铝基大型陶瓷制品的加工

8.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢

发布时间: 2005-10-17

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