纳米和亚微米氧化钛陶瓷烧结曲线及烧结机理研究

论文摘要

目前,对纳米TiO2的研究,大多集中于其功能性研究,如光催化性能、介电性能、导电性、光电转换特性、气敏、湿敏以及一些新的独特的光学性质,然而纳米氧化钛陶瓷作为结构陶瓷,具有良好的低温超塑性等力学性能,利用超塑性对纳米陶瓷进行形变加工,将会在陶瓷工业中发挥很大的作用。为了得到高致密化的纳米TiO2陶瓷,研究其烧结理论和烧结机理,具有重要的理论价值和工程意义。本论文以纳米和亚微米锐钛矿和金红石TiO2为原料,采用高温热膨胀仪、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜和差示扫描量热仪等分析测试手段,对恒速升温无压烧结条件下的热膨胀行为、烧结致密化过程、显微结构的变化及烧结机理进行研究,并对二步烧结法制备亚微米氧化钛陶瓷的工艺过程进行研究。对比研究了纳米锐钛矿和纳米金红石、亚微米锐钛矿和纳米锐钛矿的烧结曲线、烧结行为以及显微结构的变化过程,重点研究相结构和粒径对烧结行为的影响。结果发现:亚微米锐钛矿烧结中期起始温度明显高于纳米级锐钛矿;锐钛矿在烧结过程中的相变降低了其收缩起始的温度（450℃）,最大致密化速率出现的温度（880℃）,而纳米金红石的收缩起始温度和最大致密化速率出现的温度分别为750℃和920℃。锐钛矿氧化钛的烧结起始温度,致密化速率,均与粉料粒径有关,粉料越细,越容易烧结。根据全期烧结模型,设计实验,建立TiO2主烧结曲线。纳米TiO2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相对密度和Archimedes法实测的密度吻合,证明了主烧结曲线的有效性:主烧结曲线提供了一种计算烧结激活能的新方法,根据纳米金红石的主烧结曲线,得到其在空气中的烧结激活能为105 KJ/mol。根据主烧结曲线,可以准确预测陶瓷烧结全过程的致密化行为,预测烧结体的收缩量和最终相对密度。利用高温热膨胀仪以不同的升温速率进行无压烧结,研究了纳米和亚微米氧化钛的烧结激活能。研究结果表明:随烧结温度的增加,比表面积的增加加速了致密化速率;对于纳米氧化钛,当烧结体的瞬时相对密度为70%-80%时,出现最大致密化速率,而对于亚微米氧化钛陶瓷,最大致密化速率出现在相对密度为75%-85%;纳米和亚微米氧化钛的烧结激活能分别为115±10 KJ/mol和302±15 KJ/mol,纳米氧化钛的初期烧结以界面反应为主导机制,而亚微米氧化钛的初期烧结以边界扩散为主导机制。在整个烧结过程中,在最大烧结致密化速率阶段,吸收的热量没有突然增加,比热容基本上是一个常数。比热容随温度变化的关系曲线可以拟合成直线方程,Cp=-0.7+8.79×10-4J/（gK）,R=0.89。热分析的结果表明,样品在烧结过程中致密化引起的显微结构的有序化,是一个熵减少的过程,它与由于温度升高引起的热振动熵增加过程是相互抵消的,烧结过程中没有出现明显的放热或吸热现象,是有序无序竞争的结果。分别采用两段式无压烧结法（Ⅰ）和粗化预处理二步烧结法（Ⅱ）制备亚微米氧化钛陶瓷。两段式无压烧结法（Ⅰ）,可以显著抑制烧结过程中的晶粒长大,得到晶粒细小的高致密度的陶瓷;粗化处理二步烧结法（Ⅱ）,第一步的粗化过程使细小的颗粒消失,试样产生更大的孔径,但得到的试样的孔径分布和粒度分布更小。在第二步烧结中,制备了显微组织更加均匀、晶粒更加细小且晶粒尺寸分布更窄的致密化陶瓷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1.1 纳米材料的基本概念、性能与发展概况
• 1.2 二氧化钛的特性、晶格结构与应用
• 1.3 烧结的基本理论
• 1.4 经典固相烧结理论及模型
• 1.5 固相烧结中的热力学问题
• 1.6 国内外烧结理论研究现状
• 1.7 本论文研究意义和研究内容
• 第二章 氧化钛烧结曲线及其显微结构的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验过程
• 2.2.4 样品检测方法
• 2.3 实验结果与分析讨论
• 2.3.1 氧化钛烧结曲线的研究
• 2.3.2 氧化钛烧结过程显微结构变化
• 2.3.3 锐钛矿与金红石烧结行为比较
• 2.3.4 粒径对烧结曲线及致密化速率的影响
• 2.3.5 两种粒径锐钛矿致密化速率与相对密度的关系
• 2.3.6 金红石样品的恒速升温烧结行为研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 氧化钛主烧结曲线的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 实验过程
• 3.2.3 主烧结曲线理论
• 3.3 实验结果与分析讨论
• 3.3.1 主烧结曲线的确定
• 3.3.2 主烧结曲线的验证
• 3.3.3 利用主烧结曲线预测显微组织演变
• 3.4 本章小结
• 第四章 氧化钛烧结激活能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 实验结果与分析讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 氧化钛烧结过程的热行为分析（DSC）
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 DSC曲线作动力学分析的基本概念和方法
• p'>5.2.2 比热容 C_p
• 5.2.3 实验过程
• 5.3 实验结果与分析讨论
• p）曲线'>5.3.1 纳米金红石原始粉体的DSC曲线和比热容（C_p）曲线
• p）曲线'>5.3.2 塑化造粒后的金红石颗粒DSC曲线和比热容（C_p）曲线
• 5.4 本章小结
• 第六章 二步烧结法制备致密纳米氧化钛陶瓷烧结工艺研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.2.1 二段式烧结法（Ⅰ）
• 6.2.2 粗化处理二步烧结法（Ⅱ）
• 6.3 实验结果与分析讨论
• 6.3.1 二段式无压烧结（Ⅰ）
• 6.3.2 粗化处理二步烧结法（Ⅱ）
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文
• 致谢