添加剂对Al2O3-ZrO2复相陶瓷烧结与力学性能的影响

论文摘要

自从发现氧化铝、氧化锆陶瓷有着优良的物理和化学性能以来,将两者复合便成为研究的重点。通过研究陶瓷材料的韧强化机制,提出了多种强韧理论,如颗粒弥散增韧,相变增韧、显微结构强韧化、层状复合陶瓷强韧化机制、固溶强化等。无论哪种强韧化机制,要想得到较好的强韧性能,对材料的显微结构都具有较高的要求,因此获得烧结致密并且晶粒不出现异常长大的陶瓷显得尤为重要。另外,陶瓷材料在常温下的性能研究已经比较成熟,然而在高温方面,随着耐火材料和高温陶瓷材料的不断研究和广泛应用,对陶瓷材料的高温性能要求不断提高,深入研究已显得十分重要。本文针对陶瓷材料的烧结性能和高温性能,较为系统地研究了添加剂对陶瓷材料密度和力学性能的影响以及Al2O3-ZrO2复相陶瓷的高温力学性能,重点探讨了以下四个方面的内容：首先,研究了黏结剂对Al2O3-ZrO2复合陶瓷材料的相对密度的影响,主要包括黏结剂的选择、黏结剂的比例以及黏结剂的总添加量等,同时研究了黏结剂的比例和总添加量对陶瓷材料力学性能影响。研究发现：甲基纤维素（CMC）和聚乙烯醇（PVA）对Al2O3-ZrO2复合陶瓷材料相对密度的影响明显,加入比例为mPVA:mCMC=1:2.75时,坯体和烧结体的相对密度最大；比例一定时,加入黏结剂总量占粉体总质量的质量分数为5%时,气孔率,吸水率达到最小值,陶瓷材料的相对密度最大。其次,在以上研究的基础上,综合不同添加剂的作用,选择了三种适合的烧结助剂来研究烧结助剂对材料致密度的影响规律。研究结果表明：SiO2的加入对材料致密度增大没有明显作用,随着加入量的增多,材料的相对密度反而减小。MgO的加入有助于提高材料的相对密度,材料的相对密度峰值随ZrO2含量不同在0.25%～1%范围内出现,当MgO加入量为0.5%时,材料的抗折强度达到最大值。Y2O3的加入量为0.5%时,相对密度和抗折强度均达到最大值。最后选择三种烧结助剂的最优配比,得到烧结助剂加入量较优参数的实验结果。再次,研究了以上三中烧结助剂对材料抗弯强度和断裂韧性的影响。随着SiO2加入量的增多,材料的抗折强度持续降低,断裂韧性没有明显变化。加入MgO和Y2O3时,材料的抗折强度和断裂韧性均在加入量为0.5%时达到最大值。最后,研究了Al2O3-ZrO2复合陶瓷材料高温热震性能。发现,热震过程中伴随着相变的发生,在1000℃以上热震后材料的力学性能出现突变,抗折强度有明显升高的现象,这种变化主要和马氏体相变和热韧化过程有关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷介绍'>1.2 Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷介绍
• 2O₃、ZrO₂陶瓷的基本特性及应用'>1.2.1 Al₂O₃、ZrO₂陶瓷的基本特性及应用
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷性能的主要影响因素及要求'>1.2.2 Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷性能的主要影响因素及要求
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷的制坯与烧结'>1.2.3 Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷的制坯与烧结
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷的性能表征与测试方法'>1.2.4 Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷的性能表征与测试方法
• 1.3 陶瓷成型
• 1.3.1 陶瓷成型工艺和基本要求
• 1.3.2 陶瓷成型方法
• 1.3.3 干压成型及其影响因素和解决办法
• 1.4 添加剂
• 1.4.1 陶瓷添加剂的种类及性能
• 1.4.2 黏结剂及烧结助剂的作用
• 1.4.3 陶瓷材料添加剂的选择方法
• 1.5 陶瓷材料的致密度和力学性能
• 1.5.1 致密度的计算方法和影响因素
• 1.5.2 陶瓷材料的常温抗折强度与断裂韧性
• 1.5.3 陶瓷材料的高温抗折强度与抗热震性
• 1.6 课题研究的意义及主要内容
• 1.6.1 课题研究的目的和意义
• 1.6.2 课题研究的主要内容
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响'>2 添加剂对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 原料选择与表征
• 2.2.2 试样制备
• 2.2.3 测试与分析
• 2.3 结果与讨论
• 2对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷相对密度的影响'>2.3.1 ZrO₂对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷相对密度的影响
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响'>2.3.2 黏结剂比例对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响'>2.3.3 黏结剂加入量对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响
• 2.3.4 黏结剂的加入对陶瓷显微结构的影响
• 2.4 结论
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响'>3 烧结助剂对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 原料表征与样品制备
• 3.2.2 性能测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 2对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响'>3.3.1 SiO₂对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响'>3.3.2 MgO对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响
• 2O₃对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响'>3.3.3 Y₂O₃对Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷相对密度的影响
• 3.3.4 复合烧结助剂最优参数及实验结果
• 3.4 结论
• 2O₃-ZrO₂陶瓷力学性能的影响'>4 复合烧结助剂对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷力学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 原料与分析
• 4.2.2 样品制备
• 4.2.3 性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 2对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷力学性能的影响'>4.3.1 SiO₂对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷力学性能的影响
• 2对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响'>4.3.1.1 SiO₂对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响
• 4.3.1.1.1 物相分析
• 4.3.1.1.2 显微结构分析
• 2对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷断裂韧性的影响'>4.3.1.2 SiO₂对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷断裂韧性的影响
• 2O₃-ZrO₂陶瓷力学性能的影响'>4.3.2 MgO对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷力学性能的影响
• 2O₃-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响'>4.3.2.1 MgO对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响
• 4.3.2.1.1 物相分析
• 4.3.2.1.2 显微结构分析
• 2O₃-ZrO₂陶瓷断裂韧性的影响'>4.3.2.2 MgO对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷断裂韧性的影响
• 2O₃对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷力学性能的影响'>4.3.3 Y₂O₃对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷力学性能的影响
• 2O₃对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响'>4.3.3.1 Y₂O₃对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响
• 4.3.3.1.1 物相分析
• 4.3.3.1.2 显微结构分析
• 2O₃对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷断裂韧性的影响'>4.3.3.2 Y₂O₃对Al₂O₃-ZrO₂陶瓷断裂韧性的影响
• 4.4 结论
• 2O₃-ZrO₂复合陶瓷材料的高温抗折强度及热震性能'>5 Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷材料的高温抗折强度及热震性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 性能测试方法
• 5.3 结果与讨论
• 2O₃-ZrO₂复相陶瓷材料抗折强度的影响'>5.3.1 温度对Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷材料抗折强度的影响
• 5.3.1.1 微结构变化与分析
• 2O₃-ZrO₂复相陶瓷材料体积密度的影响'>5.3.2 热震对Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷材料体积密度的影响
• 5.3.2.1 显微结构分析
• 2O₃-ZrO₂复相陶瓷抗折强度的影响'>5.3.3 热震对Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷抗折强度的影响
• 5.3.3.1 显微结构分析
• 5.4 结论
• 6 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文