Al2O3/TiC复合材料的制备及裂纹愈合研究

论文摘要

本文以Al2O3和TiC为主要原料,通过热压烧结方法制得Al2O3/TiC复合材料,采用SEM及XRD等分析手段和三点弯曲加载方式,分别对Al2O3/TiC复合材料的显微组织和力学性能进行了分析和测定,系统研究了TiC体积含量及烧结温度对复合材料力学性能的影响规律。采用维氏硬度计压痕法在Al2O3/TiC复合材料试样的拉伸面引入裂纹,研究了热处理温度和保温时间对裂纹愈合的影响,并探讨了裂纹的愈合机理。研究发现:在保持热压烧结压力、保温时间及升温速度不变的情况下,TiC体积含量和烧结温度对所得Al2O3/TiC复合材料的力学性能有显著影响。当TiC体积含量为30%、烧结温度为1750℃时,Al2O3/TiC复合材料的断裂韧性值和抗弯强度值达到最大,分别为5.08MPa·m1/2和620MPa;材料的断裂方式主要为沿晶断裂,同时含有穿晶断裂。TiC颗粒的引入,显著提高了Al2O3/TiC复合材料的力学性能。裂纹的存在大大降低了Al2O3/TiC复合材料的力学性能和安全性,通过热处理可以明显改善复合材料的性能,但在不同热处理温度和保温时间下材料愈合效果显著不同。保持2h保温时间不变时,经800℃、900℃、1000℃、1200℃热处理后,复合材料中的TiC发生氧化反应生成TiO2,TiO2填充裂纹起到粘结剂的作用,使裂纹得到愈合,强度得到不同程度恢复;经1400℃热处理后,复合材料中Al2O3和TiO2发生反应生成Al2TiO5,试样表面产生开裂脱落现象,强度严重下降;本试验条件下热处理温度为900℃、保温2h后,Al2O3/TiC复合陶瓷材料的强度提高了4.10倍,恢复到光滑试样强度的88.65%;随着热处理温度提高和保温时间延长,强度值呈下降趋势,恢复程度降低。Al2O3/TiC复合材料愈合机理是复合材料中的TiC发生氧化反应生成TiO2,TiO2填充裂纹起到粘结剂作用,使裂纹得到愈合及试样强度得到恢复。裂纹愈合的化学反应为:2TiC + 3O2 = 2TiO2+2CO。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 2O₃/TiC 复合材料的特点'>1.1 Al₂O₃/TiC 复合材料的特点
• 2O₃/TiC 复合材料的制备与增韧'>1.2 Al₂O₃/TiC 复合材料的制备与增韧
• 2O₃/TiC 复合材料的应用'>1.3 Al₂O₃/TiC 复合材料的应用
• 1.4 陶瓷材料裂纹自愈合研究现状
• 1.4.1 陶瓷材料裂纹成因及愈合目的
• 1.4.2 陶瓷材料裂纹愈合机理
• 1.4.3 影响裂纹愈合的因素
• 1.4.4 研究的热点及亟待解决的问题
• 1.5 裂纹愈合对组织及力学性能的影响
• 1.5.1 组织变化
• 1.5.2 力学性能
• 1.6 选题目的和意义
• 1.7 本论文研究的主要内容
• 第2章 试验材料及研究法
• 2.1 试验用原材料
• 2.2 试样的制备方法
• 2O₃/TiC 复合材料的制备'>2.2.1 Al₂O₃/TiC 复合材料的制备
• 2.2.2 烧结工艺的确定
• 2.2.3 表面预制裂纹及热处理
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 热重分析
• 2.3.2 相对密度测定
• 2.3.3 抗弯强度的测定
• 2.3.4 断裂韧性测定
• 2.3.5 XRD 衍射分析
• 2.3.6 SEM 分析
• 2O₃/TiC 复合材料的制备与表征'>第3章 Al₂O₃/TiC 复合材料的制备与表征
• 2O₃/TiC 复合材料性能的影响'>3.1 TiC 含量对Al₂O₃/TiC 复合材料性能的影响
• 3.1.1 相对密度分析
• 3.1.2 抗弯强度分析
• 3.1.3 断裂韧性分析
• 3.1.4 断口的SEM 分析
• 2O₃/TiC 复合材料性能的影响'>3.2 烧结温度对Al₂O₃/TiC 复合材料性能的影响
• 3.2.1 相对密度分析
• 3.2.2 抗弯强度分析
• 3.2.3 断裂韧性分析
• 3.2.4 断口的SEM 分析
• 3.3 本章小结
• 2O₃/TiC 复合材料裂纹自愈合研究'>第4章 Al₂O₃/TiC 复合材料裂纹自愈合研究
• 4.1 热重分析
• 4.2 热处理温度对愈合的影响
• 4.2.1 抗弯强度分析
• 4.2.2 XRD 分析
• 4.2.3 SEM 分析
• 4.3 保温时间对表面裂纹愈合的影响
• 4.3.1 抗弯强度分析
• 4.3.2 XRD 分析
• 4.3.3 SEM 分析
• 4.4 自愈合机理探讨及模型建立
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢