原位生长柱状晶复相增韧氧化铝陶瓷的研究

论文摘要

本论文以研究无压和真空热压烧结条件下氧化铝的柱状晶发育为主,通过加入CAS、Nb2O5、CAS+MgO、CAS+Nb2O5四种添加剂,首次从原位生长氧化铝柱状晶配合第二相增韧角度出发,对柱状晶复相增韧氧化铝陶瓷的显微组织和烧结性能进行了系统的研究,测试了加入不同成分添加剂和配合第二相时的力学性能。研究结果表明,加入CAS、Nb2O5、CAS+MgO、CAS+Nb2O5时,添加剂都是以形成液相的方式促进烧结,选择适当的添加剂能够促进柱状晶的生长,反之,则在生长过程起到干扰破坏作用。当CAS加入量为0.6wt%时,能够得到晶粒发育完全的柱状晶,长径比达到8: 1,相对密度97.2%;CAS+Nb2O5配合使用时,加入0.4wt%CAS和0.5wt%Nb2O5时,材料的相对密度可达97.8%,长径比在8: 1以上,烧结性能明显的优越于单独使用CAS;当单独使用Nb2O5时,对材料的烧结性能有一定的提高,获得的组织主要为等轴晶,并有少量的板块状晶粒;CAS+MgO配合使用时,对氧化铝陶瓷的烧结性能有很好的作用,获得的组织主要为等轴晶。第二相的加入,对氧化铝晶粒的形貌影响较大。在无压烧结条件下,CAS、CAS+Nb2O5分别配合第二相3Y-TPZ使用,发现少量的柱状晶的出现,充分说明第二相的使用对氧化铝柱状晶粒的生长产生了阻碍作用。加入的氧化锆分别以亚稳定的t-ZrO2和t′-ZrO2形式存在,在相变增韧上发挥了重要作用。ZrO2在晶界溶质成分扩散过程中,组分相对独立存在,从而在空间位置上对氧化铝组织的生长产生阻碍。通过相应的力学性能分析,氧化铝柱状晶复相增韧可以明显提高材料的综合力学性能。采用能谱分析对材料进行了成分分析,并利用XRD衍射分析对其物相进行定性讨论。通过获得的相关试验数据,利用动力学原理,对烧结过程进行了研究,得出烧结过程的扩散是以界面扩散为主。同时利用相关的原理,对柱状晶的生长机理进行了初步的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 氧化铝陶瓷的概况
• 1.2.1 氧化铝陶瓷及其发展
• 1.2.2 氧化铝陶瓷的分类
• 1.2.3 氧化铝陶瓷的原料
• 1.2.4 氧化铝陶瓷的应用
• 1.3 氧化铝陶瓷增韧技术
• 1.3.1 氧化铝陶瓷增韧方法及其原理
• 1.3.2 氧化铝陶瓷增韧研究的发展趋势－复合增韧
• 1.4 原位生长柱状晶增韧氧化铝陶瓷研究的现状
• 1.4.1 国内研究现状
• 1.4.2 国外研究现状
• 1.4.3 柱状晶增韧氧化铝陶瓷存在的问题
• 1.5 本文研究的意义及主要研究内容
• 第二章 试验材料及方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 氧化铝粉的制备
• 2.1.2 CAS 粉的制备
• 2.1.3 其它成分的选择
• 2.2 氧化铝陶瓷工艺参数的确定
• 2.2.1 氧化铝陶瓷成分的设计
• 2.2.2 试验方案
• 2.2.3 烧结温度工艺曲线
• 2.3 氧化铝陶瓷的制备
• 2.3.1 氧化铝陶瓷制备工艺流程
• 2.3.2 氧化铝陶瓷的烧结
• 2.4 研究方法
• 2.4.1 试样的制备
• 2.4.2 性能的测定
• 2.4.3 X 射线衍射分析
• 第三章 氧化铝陶瓷的显微结构、成分及物相分析
• 3.1 无压烧结氧化铝陶瓷的显微形貌
• 3.1.1 添加剂对显微形貌的影响
• 3.1.2 第二相的影响
• 3.2 热压烧结氧化铝组织显微形貌
• 3.2.1 添加剂对显微形貌的影响
• 3.2.2 第二相的影响
• 3.3 氧化铝陶瓷成分分析
• 3.4 氧化铝陶瓷物相分析
• 3.4.1 原始粉体的物相分析
• 3.4.2 氧化铝陶瓷的物相分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 添加剂对氧化铝陶瓷性能的影响
• 4.1 相对密度
• 4.1.1 无压烧结
• 4.1.2 热压烧结
• 4.2 抗弯强度
• 4.3 断裂韧性
• 4.3.1 断裂韧性
• 4.3.2 裂纹扩展途径分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 柱状晶复相增韧氧化陶瓷的机理
• 5.1 不同添加剂的氧化铝陶瓷烧结动力学分析
• 5.2 氧化铝陶瓷柱状晶生长机理
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在读期间发表论文
• 致谢