机械激活固相反应原位合成钛酸铝陶瓷的自增韧结构及相关性能的研究

论文摘要

本论文以研究钛酸铝的低温合成与自增韧结构的形成为主要内容,考察了机械激活法对钛酸铝低温合成的影响以及添加剂种类、数量、成型压力、烧结温度、保温时间、升温速率和烧结气氛对钛酸铝微观结构的影响,测试了部分材料的力学性能。研究结果表明:对原料进行机械激活处理,颗粒细化、非晶化、晶格畸变并伴随着一定量的相变,化学能升高,合成温度降低。由于低温合成钛酸铝晶粒尺寸小于临界晶粒尺寸,因此可以得到无裂纹钛酸铝块体材料。引入MgO,通过形成固溶体促进钛酸铝晶粒各向异性生长,达到提高钛酸铝稳定性与改善其力学性能的目的。引入CuO,由于CuO-TiO2发生共晶反应,形成液相促进钛酸铝的致密化。在一定条件下,可以生成大量的六方片状结构。引入H3BO3,液相烧结,晶粒各向异性生长。复合添加剂的引入,可以得到致密的双峰分布的结构。从结果看,本工作采用机械激活法对原料进行处理,达到降低钛酸铝合成温度的目的。添加剂的引入,促进晶粒各向异性生长,得到具有明显棒状、片状以及双峰分布的结构,并具有理想的力学性能。同时利用现代材料测试方法,对钛酸铝晶粒各向异性生长机理和自增韧机理进行了较为深入的分析与讨论。因此,本论文对于自增韧材料的制备以及钛酸铝力学性能的改善具有较好的参考价值。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钛酸铝质陶瓷研究现状
• 1.1.1 陶瓷的结晶学基础
• 2O₃-TiO₂ 二元系统相图'>1.1.1.1 Al₂O₃-TiO₂二元系统相图
• 1.1.1.2 钛酸铝的晶体结构
• 1.1.2 钛酸铝基本特性
• 1.1.2.1 钛酸铝的热膨胀
• 1.1.2.2 钛酸铝的热分解
• 1.1.2.3 钛酸铝的热滞后性
• 1.1.2.4 抗热震性
• 1.1.2.5 钛酸铝的机械强度低
• 1.1.3 结构与性能的关系
• 1.1.3.1 陶瓷材料的结构对力学性能的影响
• 1.1.3.2 机械强度与热膨胀系数的制约关系
• 1.1.4 钛酸铝合成
• 1.1.4.1 钛酸铝合成反应的热力学计算
• 1.1.4.2 合成机理
• 1.1.4.3 合成方法
• 1.1.4.4 钛酸铝改性
• 1.2 增韧机理
• 1.2.1 相变增韧
• 1.2.2 纤维、晶须增韧
• 1.2.3 颗粒增韧
• 1.2.4 自增韧陶瓷材料
• 1.2.4.1 自增韧陶瓷的概念
• 1.2.4.2 自增韧陶瓷的优点
• 1.2.4.3 钛酸铝自增韧陶瓷材料的理论依据
• 1.3 机械力化学
• 1.3.1 机械合金化的基本原理
• 1.3.2 机械合金化反应机理
• 1.3.3 固体物质在机械力作用下发生的效应
• 1.3.3.1 颗粒粒径和比表面积的变化
• 1.3.3.2 密度的变化
• 1.3.3.3 结构变化
• 1.3.3.4 混合物料间的化学反应
• 1.4 课题的提出和研究思路
• 第二章 实验方案设计和相关研究方法
• 2.1 实验方案设计
• 2.2 原料的制备
• 2.2.1 初始原料
• 2.2.2 原料处理
• 2.3 样品的成型与烧结
• 2.4 样品测试
• 2.4.1 物相分析
• 2.4.2 烧成收缩率
• 2.4.3 试样的真实密度
• 2.4.4 差热-热重分析
• 2.4.5 微观结构分析
• 2.4.6 维氏硬度
• 2.4.7 钛酸铝断裂韧性的测试与计算
• 第三章 钛酸铝的低温合成
• 3.1 超细粉体的制备及表征
• 3.1.1 超细粉体的制备
• 3.1.2 超细粉体的表征
• 3.1.2.1 粉体的XRD
• 3.1.2.2 粉体的形貌
• 3.1.2.3 粉体的粒径分布
• 3.1.2.4 添加氧化镁的激活粉体的 TGA
• 3.2 低温合成钛酸铝
• 3.2.1 钛酸铝的生成
• 3.2.2 原料的影响
• 3.2.3 升温速率的影响
• 第四章 单一添加剂对钛酸铝结构和性能的影响
• 4.1 氧化镁对钛酸铝陶瓷结构和性能的影响
• 4.1.1 氧化镁对钛酸铝物相的影响
• 4.1.1.1 添加剂含量对钛酸铝物相的影响
• 4.1.1.2 不同烧成温度对钛酸铝物相的影响
• 4.1.2 氧化镁对钛酸铝晶格常数的影响
• 4.1.3 氧化镁对钛酸铝相对密度和收缩率的影响
• 4.1.4 氧化镁添加剂对钛酸铝形貌的影响
• 4.1.4.1 不同添加剂含量对钛酸铝形貌的影响
• 4.1.4.2 不同烧成温度对钛酸铝形貌的影响
• 4.2 氧化铜对钛酸铝陶瓷陶瓷结构和性能的影响
• 4.2.1 氧化铜对钛酸铝物相的影响
• 4.2.1.1 煅烧激活粉体的物相
• 4.2.1.2 烧结温度对钛酸铝物相的影响
• 4.2.2 氧化铜对钛酸铝形貌的影响
• 4.2.2.1 煅烧激活粉体的形貌
• 4.2.2.2 温度及成型压力对钛酸铝形貌的影响
• 4.3 硼酸对钛酸铝陶瓷陶瓷结构和性能的影响
• 4.3.1 硼酸对钛酸铝物相的影响
• 4.3.1.1 硼酸添加量对收缩率的影响
• 4.3.1.2 硼酸对钛酸铝形貌的影响
• 4.4 小结
• 第五章 复合添加剂对钛酸铝结构和性能的影响
• 5.1 氧化镁与氧化铜复合添加剂对钛酸铝结构和性能的影响
• 5.1.1 复合添加剂对钛酸铝物相的影响
• 5.1.2 复合添加剂对钛酸铝烧结试样收缩率的影响
• 5.1.3 复合添加剂对烧结试样微观结构的影响
• 5.1.3.1 不同的温度制度对微观结构的影响
• 5.1.3.2 复合添加剂的含量对微观结构的影响
• 5.2 氧化镁与氧化硅复合添加剂对钛酸铝陶瓷的影响
• 5.2.1 不同烧结制度对收缩率的影响
• 5.2.2 添加剂对钛酸铝陶瓷结构的影响
• 5.2.2.1 氧化硅添加剂对钛酸铝陶瓷结构的影响
• 5.2.2.2 氧化镁与氧化硅复合添加剂对钛酸铝微观结构的影响
• 5.2.2.3 保温时间对对钛酸铝微观结构的影响
• 5.3 硼酸与氧化铜复合添加剂对钛酸铝的影响
• 5.3.1 添加剂对钛酸铝物相的影响
• 5.3.2 收缩率的影响
• 5.3.3 微观结构的影响
• 5.3.4 不同烧结气氛下的影响
• 5.3.4.1 烧结气氛对钛酸铝物相的影响
• 5.3.4.2 烧结气氛对烧结性能的影响
• 5.3.4.3 烧结气氛对微观结构的影响
• 5.4 氧化镁与硼酸复合添加剂对钛酸铝陶瓷微观结构的影响
• 5.4.1 烧结制度对钛酸铝物相的影响
• 5.4.2 烧结制度对钛酸铝微观结构的影响
• 5.5 力学性能的研究
• 5.5.1 力学性能
• 5.5.2 增韧机理
• 5.6 小结
• 第六章 各向异性生长机理探讨
• 6.1 钛酸铝结构与各向异性生长
• 6.2 机械激活对各向异性生长的影响作用分析
• 6.3 添加剂对各向异性生长的促进作用分析
• 6.4 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学期间发表论文情况
• 致谢