微波加热制备部分稳定氧化锆实验研究

论文摘要

氧化锆（ZrO2）由于优良的物理、化学等性质,氧化锆系作为新兴材料的发展和应用越来越显示其重要地位,但纯氧化锆在加热和冷却过程中会发生相变,并在相变过程中伴随着剪切应变及体积变化,导致纯氧化锆材料产生灾难性的破坏;而部分稳定氧化锆因其具有低的热膨胀系数、高的导热率、良好的抗热震性,已广泛应用于现代冶金用高性能耐火材料、高性能高温隔热材料等领域。然而部分稳定氧化锆的工业化生产主要以电弧炉熔炼的完全稳定的电熔氧化锆为原料,采用电加热的推板窑或隧道窑,通过破碎以及高温热处理等步骤进行部分稳定氧化锆的生产,但在实际的生产过程中,存在热处理温度高、能耗大、作业时间长、设备运行成本高,设备维护困难等难题。本论文结合微波加热的优越性,首次提出了利用微波加热制备部分稳定氧化锆,能为部分稳定氧化锆的节能降耗开辟新的途径。本论文在总结国内外氧化锆的研究现状的基础上,采用X衍射以及扫描电镜等分析手段,进行了常规加热和微波加热制备部分稳定氧化锆的实验研究。系统研究了实验温度、保温时间、降温速率、淬火温度、升温速率以及降温过程在某一温度点进行等温时效等条件,得出了常规加热和微波加热条件下电熔氧化锆相转变的基本规律,以及最佳实验工艺条件。论文得出常规加热条件下电熔氧化锆相转变的基本规律:电熔氧化锆中的单斜相氧化锆在降温过程中产生;加热温度越高,越有利于单斜相的产生,使稳定率下降;在实验设定的最高温度条件下（1450℃）进行长时间的保温处理,有利于降温过程中的单斜相的产生,但保温4h后,单斜相的增加不明显,可以认为达到平衡;在一定的温度条件下（1450℃）,降温速率越慢,越有利于单斜相的产生,过快的降温速率可以抑制单斜相氧化锆的生成;电熔氧化锆降温过程的相变具有一定的温度区间,950℃以后单斜相含量变化很小,稳定率基本平衡;升温速率对电熔氧化锆单斜相的产生基本没有影响;在降温过程中的某一温度点进行长时间的时效处理,不能使氧化锆的单斜相含量增加。在自制的微波加热高温反应装置中采用的连通式双层保温结构能够良好保温,特殊设计的热电偶屏蔽套能够保证热电偶准确测温;电熔氧化锆在微波场中的升温特性实验表明,电熔氧化锆具有良好的微波吸收能力,在微波输出功率P=1000W的条件下能以400-500℃/min的速率快速升温,在3-4min内可以升温至1450℃。电熔氧化锆在微波场中的相转变规律与常规加热条件下的规律基本一致,但其在1450℃的实验条件下保温2h后,单斜相氧化锆的增加不再明显,可以认为达到平衡。根据单斜相氧化锆含量30%（稳定率70%）左右材料的抗热震性最好,得出常规加热制备部分稳定氧化锆的最佳实验工艺条件是控制马弗炉的升温速率为4℃/min,最高温度1450℃保温时间4h,控制降温速率为2℃/min,待冷却到950℃淬火处理,其稳定率为70.0%;微波加热制备部分稳定氧化锆的最佳实验工艺条件是控制电熔氧化锆在微波场中的升温速率为400℃/min,在达到1450℃保温时间2h,控制降温速率为4℃/min,待冷却到950℃淬火处理,其稳定率为71.1%;最佳工艺条件制得的部分稳定氧化锆都呈黄色,经扫描电子显微镜对其微观结构进行分析,发现都存在少量的气泡,没有裂纹产生,符合高性能氧化锆材料的要求;并且在稳定率相当的条件下,微波加热制备部分稳定氧化锆要比常规马弗炉加热制备制备部分稳定氧化锆节省时间70%,体现了微波加热的优越性,为微波加热制备部分稳定氧化锆的工业化提供了必要的工艺参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 氧化锆的应用
• 1.3 氧化锆的特性
• 1.3.1 氧化锆的物理性质
• 1.3.2 氧化锆的化学性质
• 1.4 氧化锆的晶体结构
• 1.5 氧化锆的晶型转变与马氏体相变
• 1.5.1 氧化锆的晶型转变
• 1.5.2 马氏体相变特征以及相变晶体学
• 1.5.3 氧化锆的t→m马氏体相变
• 1.5.4 氧化锆中t→m马氏体相变的晶格关系和惯习关系
• 1.6 氧化锆的稳定方法
• 1.6.1 化学掺杂稳定
• 1.6.2 物理稳定
• 1.7 稳定氧化锆的分类
• 1.8 稳定氧化锆的制备
• 1.8.1 中和沉淀法
• 1.8.2 加水分解法
• 1.8.3 溶胶-凝胶法
• 1.8.4 固相法
• 1.8.5 微乳液法
• 1.8.6 水热法
• 1.8.7 热分解法
• 1.8.8 管式工艺反应法
• 1.8.9 电熔法
• 第二章 课题研究的意义
• 第三章 常规加热制备部分稳定氧化锆实验研究
• 3.1 实验目的及内容
• 3.1.1 实验目的
• 3.1.2 实验内容
• 3.2 实验的主要设备
• 3.3 实验原料分析
• 3.3.1 化学分析
• 3.3.2 衍射分析
• 3.3.3 实验原料的相图分析
• 3.3.4 稳定率测定的基本方法
• 3.4 实验结果
• 3.4.1 温度对稳定率的影响
• 3.4.2 保温时间对稳定率的影响
• 3.4.3 降温速率对稳定率的影响
• 3.4.4 淬火处理温度对稳定率的影响
• 3.4.5 升温速率对稳定率的影响
• 3.4.6 降温过程中等温处理时间对稳定率的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 电熔氧化锆在微波场中的加热特性
• 4.1 物质的微波加热理论基础
• 4.1.1 微波的基本概念
• 4.1.2 微波与物质的相互作用机理
• 4.1.3 实际介质的损耗
• 4.1.4 微波加热特点
• 4.2 实验目的
• 4.3 实验原料
• 4.4 微波加热高温反应装置
• 4.4.1 保温材料的选择及保温结构的设计
• 4.4.2 测温系统的设计
• 4.5 电熔氧化锆在微波场中的加热特性
• 4.6 本章小结
• 第五章 微波加热制备部分稳定氧化锆的实验研究
• 5.1 实验目的及内容
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验内容
• 5.2 实验原料及仪器装置
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验设备
• 5.3 实验步骤
• 5.4 实验结果
• 5.4.1 微波场中温度对稳定率的影响
• 5.4.2 微波场中保温时间对稳定率的影响
• 5.4.3 微波场中降温速率对稳定率的影响
• 5.4.4 微波场中淬火温度对稳定率的影响
• 5.4.5 微波场中升温速率对稳定率的影响
• 5.4.6 微波场中降温过程中等温处理时间对稳定率的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 最佳实验工艺条件及表征
• 6.1 单斜相氧化锆含量对抗热震性的影响
• 6.2 最佳实验工艺条件
• 6.2.1 常规加热制备部分稳定氧化锆最佳实验工艺条件
• 6.2.2 微波加热制备部分稳定氧化锆最佳实验工艺条件
• 6.3 最佳工艺条件实验样品的表征
• 6.3.1 样品处理前后样品颜色的变化
• 6.3.2 X射线衍射分析（XRD）
• 6.3.3 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论及展望
• 致谢
• 附录
• 参考文献