微波烧结高纯度氧化铝陶瓷及其增韧研究

论文摘要

氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度、高耐磨性、低膨胀系数、高耐腐蚀性和质量轻等金属材料难以匹敌的特点,广泛应用于各种材料科学领域。并且高纯度的氧化铝陶瓷替代低纯度陶瓷的趋势越来越明显,但高纯度陶瓷烧结的困难极大地限制了其大规模应用。微波加热技术的发展为高纯度氧化铝陶瓷的烧结提供了较好的基础。本论文采用微波烧结方法对纯度在99.8%以上的氧化铝陶瓷进行烧结及其增韧研究。采用新型的圆柱形微波多模烧结腔体分别对高纯Al2O3粉体,Al2O3/MgO和Al2O3/MgO/Y2O3混合粉体进行了烧结实验,最终得到添加剂的最佳配比,同时还通过调节保温时间分析了添加剂对Al2O3晶粒生长的影响机理。通过添加纳米Al2O3来达到增韧补强的效果,并对其强韧化机理进行了分析讨论。实验结果表明,通过添加剂可以改善陶瓷试样的显微结构。随着不同组分和剂量的助烧剂的添加,试样的显微结构呈现出不同的变化。通过系统实验发现,M5Y5（0.05%MgO+0.05%Y2O3）试样在1700℃的烧结温度下烧结后密度值达3.94/cm3,相对密度为98.7%,硬度值达22.7HV/GPa。通过对保温时长的调节实验发现,采用单一MgO低含量掺杂后,晶粒的尺寸会随保温时间的增加持续变大,同时硬度增大;在MgO添加剂含量较高时,Al2O3晶粒继续长大,这种增大后的晶粒在一定程度上降低了试样的硬度。复合添加MgO和Y2O3掺杂时,在一定的保温时间范围内,晶粒的尺寸会随保温时间的延续基本不变,更趋于均匀,均一化的晶粒尺寸和形貌提高了材料的硬度。在获得高纯度Al2O3陶瓷最佳工艺的基础上,通过添加不同量的纳米Al2O3来探讨晶粒度对Al2O3陶瓷显微结构和力学性能的影响。结果表明,添加纳米Al2O3颗粒之后试样的显微结构主要呈现出“晶间型”和“晶内型”共存的情况。在1700℃的烧结温度下,当纳米Al2O3颗粒含量达到30wt%时,试样密度,维氏硬度和断裂韧性达到最高值3.92/cm3,23.2HV/GPa和4.21 Pa·m1/2。纳米Al2O3颗粒的添加使得陶瓷的断裂特征由单一的沿晶断裂方式逐渐转变为穿晶断裂,断裂方式的转变和细小均匀的晶粒导致裂纹扩展途径变得曲折,消耗了扩展能量,提高了氧化铝陶瓷的断裂韧性。使用微波加热方法可烧结出显微结构良好、机械性能优异的高纯度Al2O3陶瓷,在不添加第二相的条件下可以提高Al2O3陶瓷的断裂韧性。由此可见,该方法的不断发展可加快高纯度Al2O3陶瓷的产业化进程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 氧化铝陶瓷概述
• 2O₃ 陶瓷中的晶型'>1.1.1 Al₂O₃陶瓷中的晶型
• 2O₃ 陶瓷的基本性能'>1.1.2 Al₂O₃陶瓷的基本性能
• 2O₃ 陶瓷的应用'>1.1.3 Al₂O₃陶瓷的应用
• 1.2 微波烧结技术
• 1.2.1 陶瓷烧结方法
• 1.2.2 微波烧结原理与优点
• 1.2.3 微波与材料的相互作用机制
• 2O₃ 陶瓷的研究现状'>1.2.4 微波烧结Al₂O₃陶瓷的研究现状
• 1.3 陶瓷的增韧研究
• 1.3.1 晶须和纤维韧化
• 1.3.2 颗粒韧化
• 1.3.3 纳米颗粒弥散韧化
• 1.4 本文的提出、研究内容及目的
• 第二章 实验装置与表征方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器与装置
• 2.2.1 烧结设备硬件系统
• 2.2.2 烧结设备软件系统
• 2.3 实验样品的制备
• 2.3.1 助烧剂的添加
• 2.3.2 纳米颗粒增韧
• 2.3.3 保温层的设计
• 2.4 样品的测试与表征
• 2.4.1 试样的密度测试
• 2.4.2 维氏硬度的测试
• 2.4.3 断裂韧性
• 2.4.4 试样的显微结构及XRD 分析
• 2O₃陶瓷的微波烧结'>第三章 高纯Al₂O₃陶瓷的微波烧结
• 3.1 引言
• 3.2 实验参数
• 3.3 添加剂对试样的影响
• 3.3.1 添加剂对试样显微结构的影响
• 3.3.2 添加剂对试样密度的影响
• 3.3.3 添加剂对试样硬度的影响
• 3.4 烧结保温时间对烧结试样的影响
• 3.4.1 保温时间对烧结试样显微结构的影响
• 3.4.2 保温时间对烧结试样密度的影响
• 3.4.3 保温时间对烧结试样硬度的影响
• 3.5 本章小结
• 2O₃颗粒增韧Al₂O₃陶瓷'>第四章 纳米Al₂O₃颗粒增韧Al₂O₃陶瓷
• 4.1 引言
• 4.2 实验参数
• 4.3 显微结构分析
• 4.4 密度结果分析
• 4.5 硬度结果分析
• 4.6 强韧化机理讨论
• 4.6.1 断裂韧性结果分析
• 2O₃ 颗粒对裂纹的偏转'>4.6.2 纳米Al₂O₃颗粒对裂纹的偏转
• 4.7 XRD 结果分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 论文总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间已发表的论文
• 致谢