首页> 正文

稀土掺杂氧化铝恒速无压烧结行为及作用机理研究

2020-12-07阅读(171)

稀土掺杂氧化铝恒速无压烧结行为及作用机理研究

论文摘要

高温结构陶瓷是未来航空、航天发动机的关键材料,氧化铝-稀土系陶瓷熔点高达1700℃以上,备受人们关注,但是通过无压烧结工艺来制备此类材料,仍然存在很多问题,如烧结过程中均一性显微结构的形成,致密度的提高以及力学性能改善等,为了实现显微结构均一,力学性能优良的此类材料的无压烧结制备,有必要就其烧结行为进行研究。本论文以α-Al2O3以及纳米γ-Al2O3为原料,研究了稀土掺杂（RE=La、Ce、Nd、Gd、Eu、Y、Dy）氧化铝在恒速无压烧结条件下的烧结行为、膨胀行为、相变过程的影响及作用机理;建立了纯α-Al2O3低升温速率条件下的主烧结曲线,并研究了其烧结过程中的热行为。以全期烧结模型为基础建立了两种粒度分布的α-Al2O3低升温速率条件下（低于5℃/min）的主烧结曲线。α-Al2O3主烧结曲线对烧结路径不敏感,烧结体的相对密度仅是时间和温度的函数,利用主烧结曲线得到的密度和Archimedes法实测密度吻合,证明了所建立主烧结曲线的有效性,因此可以对陶瓷烧结过程的致密化行为和最终密度进行预测;烧结体显微结构的演变与其密度变化密切相关,利用主烧结曲线可以预测氧化铝陶瓷烧结过程中显微结构的演化;同时主烧结曲线提供了一种计算烧结激活能的新方法,200-500nm和2-3μm两种粒度氧化铝低升温速率烧结条件下的烧结激活能分别为1035和1148kJ/mol,大于高升温速率条件下得到的值。为了研究α-Al2O3恒速无压烧结过程中的热行为,对200-500nm原始粉以及10-20目的造粒后颗粒烧结过程中热力学函数进行了研究。研究表明烧结过程是一个吸热过程,相同升温速率条件下,造粒后颗粒烧结过程中的热焓要低于原始粉;两种颗粒低升温速率烧结过程中的热焓要大于高升温速率条件,这与烧结激活能的变化趋势相一致;通过直接法计算了样品的定压比热容Cp(单位为Jg-1K-1),发现随温度的升高,样品比热容不断增加,对两种样品1273.5K之前的比热容数据进行多项式拟合得到:200-500nm(Cp=2.70177-0.01187×T+1.35929×10-5×T2,拟合优度为0.99),10-20目(Cp=1.34048-0.00354×T+3.2239×10-6×T2,拟合优度为0.98);三种速率升温过程中,各种样品的热焓、熵以及吉布斯自由能的绝对值均在不断增加,表明样品的烧结过程是不可逆过程,以热力学函数不等式表示为dS>0或dG<0。稀土掺杂α-Al2O3烧结行为研究发现,稀土与氧化铝固相反应产生三种结构化合物-重稀土为石榴石结构RE3Al5O12（RE=Y,Dy）,轻稀土为磁铅石结构REAl11O18（RE=Nd,La,Ce）和钙钛矿结构AIREO3（RE=Eu,Gd）;与未掺杂样品相比,稀土掺杂均提高了样品收缩开始的对应温度,其中,Nd掺杂样品提高了近200℃;掺杂促进了致密化（La除外）,其中Eu掺杂样品的收缩率比未掺杂样品提高了近3个百分点,掺杂抑制了颗粒粗化（La效果最明显）,基体颗粒未出现异常长大,La和Nd掺杂样品中发现了长轴状及板状颗粒,主要是部分游离晶界的高迁移率使基体离子在某些基面发生优先偏聚引起;掺钕样品的透射电镜研究表明,当Nd离子在晶界处形成过饱和状态,就会产生第二相沉淀,主要分布于基体颗粒的交接处;掺杂后样品以沿晶断裂模式为主,主要是稀土氧化物与其它氧化物的共存弱化了氧化铝的界面结合强度,然而这种晶界强度的降低对氧化铝断裂韧性的影响是有限的。膨胀行为研究发现无论是坯体收缩前还是烧结体,其平均线膨胀系数均}JI于稀土掺杂得到较大提高;对于坯体样品,Nd掺杂样品最大为8.59×10-6/℃,而未掺杂样品为6.78×10-6/℃,轻稀土元素相对于重稀土元素,更有利于提高氧化铝坯体的热膨胀系数;对于烧结体,Eu掺杂样品最大为10.1×1010-6/℃,而未掺杂样品为7.54×10-6/℃,轻、重稀十对其影响差别不明显,基体中新物相的形成以及空位的增多是热膨胀系数增大的主要原因;根据复合体的热膨胀系数规律可以判定REAl11O18（RE=La,Ce,Nd）,REAlO3（RE=Gd,Eu）,RE3A15O12（RE=Y,Dy）三类结构化合物的热膨胀系数均要高于刚玉结构氧化铝。稀上掺杂及未掺杂纳米γ-Al2O3的烧结曲线分为R1（相变为主）,R2（烧结致密化）两个阶段,掺杂抑制了其致密化;各种样品R1阶段相对密度变化值高于理论计算值,主要是相转变过程伴随有颗粒重排过程,不同掺杂对其影响存在差别;掺杂有效延长了样品中处于临界尺寸的θ相晶粒转变为α相形核粒了的时间;相变过程中,不同热处理条件下氧化铝的红外吸收谱存在差异,主要是由于不同物相的O2-的密堆积方式和Al3+的填充方式的不同影响了Al-O键的振动;La掺杂与未掺杂样品相同温度下对应红外特征吸收带400-1000cm-1波数范围（Al-O键的振动吸收）吸收峰存在较大差别,证明了La3+的引入改变了基体中Al3+和O2-周围的电子组态;La掺杂有效延迟了γ→α相转变过程中各中间相的出现,这主要是由于化合物LaAlO3的产生（900-950℃之间）抑制了O2-和Al3+的扩散,从而提高了相变温度,不同稀土作用效果不同,主要是不同稀土对基体中Al3+由四面体间隙位置向八面体间隙位置迁移速率的影响不同造成的。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 引言
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 氧化铝介绍
  • 1.1.1 氧化铝的晶型
  • 1.1.2 常见氧化铝几种晶型的应用
  • 1.1.3 相变过程及机制
  • 1.2 稀土介绍
  • 1.2.1 稀土元素及分类
  • 1.2.2 稀土元素的性质
  • 1.2.3 稀土的应用
  • 1.3 烧结的基本理论
  • 1.3.1 烧结的基本过程
  • 1.3.2 烧结的主要物质输运方式
  • 1.3.3 影响烧结的因素
  • 1.4 烧结理论的发展和研究现状
  • 1.4.1 烧结理论研究的历史
  • 1.4.2 烧结模型及相应烧结动力学研究
  • 1.5 固相烧结叶中的热力学问题
  • 1.5.1 烧结过程的推动力
  • 1.5.2 烧结过程中的激活能
  • 1.5.3 质点迁移的微观机构和扩散系数
  • 1.5.4 烧结激活能的计算方法
  • 1.6 烧结机理的研究方法进展
  • 1.7 掺杂物质与氧化铝作用机理研究进展
  • 1.8 本论文研究意义和研究内容
  • 2O3的主烧结曲线研究'>第二章 α-Al2O3的主烧结曲线研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 主烧结曲线理论
  • 2.3 实验
  • 2.4 实验结果分析与讨论
  • 2.4.1 亚微米级氧化铝主烧结曲线的建立
  • 2.4.2 亚微米级氧化铝主烧结曲线正确性的实验验证
  • 2.4.3 亚微米氧化铝显微结构演化的主烧结曲线预测
  • 2.4.4 微米级氧化铝主烧结曲线的建立
  • 2.4.5 微米级氧化铝主烧结曲线正确性的验证
  • 2.4.6 微米级氧化铝显微结构演化的主烧结曲线预测
  • 2.5 本章小结
  • 2O3烧结过程中的热行为研究'>第三章 α-Al2O3烧结过程中的热行为研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验
  • 3.3 实验结果分析与讨论
  • 3.3.1 DSC基线的测量
  • 3.3.2 三种样品三种升温速率条件下的DSC曲线
  • 3.3.3 三种样品烧结过程中热焓研究
  • 3.3.4 三种样品烧结过程中比热容的直接法计算
  • 3.3.5 三种样品烧结过程中的熵和吉布斯自由能研究
  • 3.4 本章小结
  • 2O3烧结行为研究'>第四章 稀土掺杂α-Al2O3烧结行为研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验
  • 4.3实验结果分析与讨论
  • 2O3烧结曲线的影响'>4.3.1 掺杂稀土对α-Al2O3烧结曲线的影响
  • 2O3中的存在形式'>4.3.2 掺杂稀土在α-Al2O3中的存在形式
  • 2O3颗粒粗化的影响'>4.3.3 掺杂稀土对α-Al2O3颗粒粗化的影响
  • 2O3断裂模式的影响'>4.3.4 掺杂稀土对α-Al2O3断裂模式的影响
  • 2O3烧结曲线的影响'>4.3.5 不同浓度Nd掺杂对α-Al2O3烧结曲线的影响
  • 2O3颗粒粗化的影响'>4.3.6 不同浓度Nd掺杂对α-Al2O3颗粒粗化的影响
  • 2O3力学性能的影响'>4.3.7 不同浓度Nd掺杂对α-Al2O3力学性能的影响
  • 4.3.8 Nd在氧化铝基体中的分布位置
  • 4.3.9 讨论
  • 4.4 本章小结
  • 2O3热膨胀行为研究'>第五章 稀土掺杂α-Al2O3热膨胀行为研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验
  • 5.3 数据处理
  • 5.4 实验结果分析与讨论
  • 5.4.1 RE10000样品坯体收缩前的平均线膨胀系数
  • 5.4.2 RE10000烧结体样品的平均线膨胀系数
  • 2O3坯体收缩前以及烧结体热膨胀行为'>5.4.3 不同浓度Nd掺杂α-Al2O3坯体收缩前以及烧结体热膨胀行为
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 稀土掺杂纳米亚稳态氧化铝的相变及烧结行为研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验
  • 6.3 实验结果分析与讨论
  • 6.3.1 原始粉体表征
  • 2O3收缩率的影响'>6.3.2 掺杂稀土对纳米γ-Al2O3收缩率的影响
  • 2O3特殊点烧结温度的影响'>6.3.3 掺杂稀土对纳米γ-Al2O3特殊点烧结温度的影响
  • 2O3晶粒转变时间的影响'>6.3.4 掺杂稀土对θ-到α-Al2O3晶粒转变时间的影响
  • 2O3烧结曲线的影响'>6.3.5 不同浓度La掺杂对纳米γ-Al2O3烧结曲线的影响
  • 2O3显微结构的影响'>6.3.6 不同浓度La掺杂对纳米γ-Al2O3显微结构的影响
  • 2O3相变过程分析'>6.3.7 未掺杂纳米γ-Al2O3相变过程分析
  • 2O3相变过程分析'>6.3.8 La掺杂纳米γ-Al2O3相变过程分析
  • 6.3.9 讨论
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间的研究成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

    • [1].向上趋势确立 稀土再迎布局时点[J]. 中国粉体工业 2018(06)
    • [2].利好共振支撑价格 稀土行情有望贯穿四季度[J]. 中国粉体工业 2018(06)
    • [3].2019年《稀土》总目录[J]. 稀土 2019(06)
    • [4].上海市稀土学会简介[J]. 上海师范大学学报(自然科学版) 2019(06)
    • [5].稀土壳糖胺生物学机理及对动物生产性能的影响[J]. 湖北畜牧兽医 2019(12)
    • [6].稀土专利摘编[J]. 稀土信息 2020(01)
    • [7].热烈祝贺《稀土》创刊四十周年[J]. 稀土 2020(01)
    • [8].《稀土》期刊发展历程[J]. 稀土 2020(01)
    • [9].2019年稀土相关上市公司业绩综述[J]. 稀土信息 2020(05)
    • [10].稀土文献题录[J]. 稀土信息 2020(08)
    • [11].稀土冶炼过程三废处理技术专利分析及保护策略[J]. 稀土信息 2020(08)
    • [12].稀土磷肥及含稀土磷矿在农业领域的应用效果与前景[J]. 中国稀土学报 2020(05)
    • [13].稀土信息[J]. 稀土信息 2019(01)
    • [14].有色:除了稀土 还有这些[J]. 股市动态分析 2019(23)
    • [15].中国有色金属工业协会稀土分会一届四次理事会在昆明召开[J]. 中国有色金属 2019(23)
    • [16].中国有色金属工业协会稀土分会一届二次理事会成功召开[J]. 中国金属通报 2017(11)
    • [17].2017年度全国稀土标准化技术委员会年会顺利召开[J]. 稀土信息 2017(12)
    • [18].杨文浩秘书长一行拜访五矿稀土集团有限公司[J]. 金属功能材料 2017(06)
    • [19].稀土图强——记稀土标准的国际化之路[J]. 中国有色金属 2016(24)
    • [20].2016年《稀土》总目录[J]. 稀土 2016(06)
    • [21].中国有色金属工业协会稀土分会在京成立[J]. 中国有色金属 2017(01)
    • [22].稀土业结构调整为投资者带来机遇[J]. 有色冶金节能 2017(01)
    • [23].工信部将启动打击稀土违法违规专项行动[J]. 有色冶金节能 2017(01)
    • [24].广西环保厅约谈中铝广西有色稀土有限公司等7家单位[J]. 稀土信息 2017(06)
    • [25].稀土文献题录[J]. 稀土信息 2017(09)
    • [26].资政 育人 存史 启新——写在《北方稀土志》出版发行之际[J]. 稀土信息 2017(09)
    • [27].2017年6月日本稀土进口统计[J]. 稀土信息 2017(09)
    • [28].北方稀土以项目建设“领舞”转型升级[J]. 稀土信息 2017(08)
    • [29].春风一夜花千树——北方稀土上市二十周年巡礼[J]. 稀土信息 2017(09)
    • [30].中国有色金属工业协会稀土分会一届二次理事会召开[J]. 中国有色金属 2017(22)

    标签：;  ;  ;  ;  ;  

    稀土掺杂氧化铝恒速无压烧结行为及作用机理研究
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2024 毕速过 版权所有 鄂ICP备12018319号-5