Al2O3/Cr3C2多元复合陶瓷材料的制备、性能及应用研究

论文摘要

氧化铝陶瓷具有高硬度、耐磨损、耐高温、抗腐蚀、低密度、原料分布广泛等优点，但韧性较差，寻求合适的方法提高氧化铝陶瓷的强韧性，具有重要的理论意义和应用价值。本文利用Cr3C2分别与（W，Ti）C、SiC、Ti（C，N）等多相复合协同强韧化Al2O3陶瓷，成功制备了3种具有优良综合力学性能的新型Al2O3复合陶瓷材料。系统研究了新型Al2O3复合陶瓷材料的热压烧结工艺、力学性能、微观结构、强韧化机理、耐磨抗蚀、抗热震性能，并进行了初步应用。 根据颗粒弥散强韧化机理，基于残余应力场增韧和细晶强韧化，设计了Cr3C2分别与（W，Ti）C、SiC、Ti（C，N）等多相复合协同强韧化Al2O3陶瓷材料系统。 为精确测试陶瓷试样的密度，在Archimedes排水法的基础上，设计了精确快捷测量体积与密度的新方法，制作了相应的测试装置。 成功研制了3种复合陶瓷材料ACW、ACT和ACS，它们的平均抗弯强度、断裂韧性和Vickers硬度分别为562MPa、9.35MPa·m1/2和18.77GPa，715MPa、8.58MPa·m1/2和20.9GPa，515MPa、8.22MPa·m1/2和18.19GPa。利用SEM、TEM、EDAX、SAD等对3种复合陶瓷材料的微观结构研究表明，只有在合适的热压工艺和组分条件下才能获得良好的微观组织结构。3种材料微观结构中均发现了大量的位错、内晶型纳米粒子，和一些应力条纹，它们对于材料的强韧化作出贡献。添加相粒子对于基体晶粒的生长起到抑制作用，利于晶粒细化。材料断裂方式表现出沿晶和穿晶的混合模式，断口凹凸不平，偶见有长柱状晶粒和晶粒拔出现象。表面压痕裂纹的偏转和桥联，是复合材料强韧性提高的表现。 ACW复合陶瓷材料主要强韧化机制有残余应力场增韧、裂纹偏转与裂纹桥联增韧、内晶型结构强韧化、细晶强韧化。 分析了内晶型结构对晶界的作用，认为，如果内晶型结构本身晶粒较小，处在一主晶界两界面之间，而其整体又处于压应力状态的话，则对该主晶界起到推开的作用：如处于拉应力状态则对主晶界产生闭合作用。如果内晶型结构晶粒较大，自身较少的部分界面处在一主晶界上，而其整体又处于压应力状态，则挤压该主晶界起到闭合强化的作用；如处于拉应力状态则弱化主晶界。 Al2O3复合陶瓷材料与YG8硬质合金干摩擦时的摩擦系数、磨损率均明显低于单相Al2O3陶瓷。其中，103#、203#、303#材料的摩擦系数和磨损率比单相Al2O3陶瓷降低了一半左右。Al2O3复合陶瓷材料的磨损率随法向荷载、磨损时间的增加均减小，且变化趋向平缓。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 陶瓷模具材料的研究进展
• 1.3 A1203陶瓷材料的研究进展
• 1.3.1 A1203的化学结构与基本性能
• 1.3.2 A1203陶瓷材料的烧结
• 1.3.3 Ai ZO:陶瓷材料强韧化
• 1.3.4 弥散强韧化 A1203陶瓷的几种粉末材料
• 1.4 陶瓷材料抗热震性能的研究进展
• 1.4.1 陶瓷材料抗热震性能评价
• 1.4.2 A1203陶瓷材料抗热震性能的研究
• 1.5 课题研究思路
• 1.6 课题研究的意义及主要内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 参考文献
• 第2章 A1203复合陶瓷材料的设计、制备与性能测试
• 2.1 A1203复合陶瓷材料组分设计
• 2.1.1 A120:复合陶瓷材料化学相容性分析
• 2.1.2 A1203复合陶瓷材料物理相容性分析
• 2.2 A1203复合陶瓷材料热压烧结工艺设计
• 2.2.1 烧结压力
• 2.2.2 烧结温度
• 2.2.3 烧结时间
• 2.2.4 烧结气氛及烧结助剂
• 2.3 A1203复合陶瓷材料制备及试验验证
• 2.3.1 试验原料
• 2.3.2 A1203复合陶瓷材料制备
• 2.3.3 A1203复合陶瓷材料设计的试验验证
• 2.4 A!20:复合陶瓷材料性能测试技术
• 2.4.1 致密度
• 2.4.2 抗弯强度
• 2.4.3 硬度
• 2.4.4 断裂韧性
• 2.4.5 微观结构观察与分析
• 2.4.6 X射线衍射（XRD）物相分析
• 2.5 本章结论
• 参考文献
• 第3章 A1203复合陶瓷材料物理力学性能及微观结构
• 3.1 ACW复合陶瓷材料物理力学性能和微观结构
• 3.1.1 材料配比及热压烧结制备
• 3.1.2 （W，Ti）C对 ACW复合陶瓷材料力学性能的影响
• 3.1.3 C13C:对 ACW复合陶瓷材料力学性能的影响
• 3.1.4 热压烧结工艺对 ACW复合陶瓷材料性能的影响
• 3.1.5 讨论一与分析
• 3.1.6 ACW复合陶瓷材料微观结构研究
• 3.1.7 ACW复合陶瓷材料新物相分析
• 3.2 ACT复合陶瓷材料物理力学性能和微观结构
• 3.2.1 材料配比及热压烧结制备
• 3.2.2 ACT复合陶瓷材料力学性能与微观结构
• 3.3 ACS复合陶瓷材料物理力学性能和微观结构
• 3.3.1 材料配比及热压烧结制备
• 3.3.2 ACS复合陶瓷材料力学性能与微观结构
• 3.4 本章结论
• 参考文献
• 第4章 A.203复合陶瓷材料的强韧化机理研究
• 4.1 颗粒弥散强韧化模型
• 4.2 应力诱泞微开裂增韧
• 4.3 残余应力场增韧
• 4.4 裂纹偏转与裂纹桥联增韧
• 4.5 晶粒细化强韧化
• 4.6 内晶型结构强韧化
• 4.7 本章结论
• 参考文献
• 第5章 A1203复合陶瓷材料耐磨损及耐腐蚀性能研究
• 5.1 A1203复合陶瓷材料耐磨损性能的研究
• 5.1.1 陶瓷材料摩擦磨损性能表征
• 5.1.2 荷载对摩擦磨损性能的影响
• 5.1.3 转速对摩擦磨损性能的影响
• 5.1.4 磨损时间对摩擦磨损性能的影响
• 5.1.5 A1203复合陶瓷材料磨损机理探讨
• 5.1.6 宏观力学性能对耐磨损性能影响之量化评价
• 5.1.7 显微结构对摩擦磨损性能的影响
• 5.2 A603复合陶瓷材料耐腐蚀性能的研究
• 5.2.1 实验与表征
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 本章结论
• 参考文献
• 第6章 A1203复合陶瓷材料抗热震性能研究
• 6.1 陶瓷材料抗热震性能表征
• 6.2 实验过程
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 ACW复合陶瓷材料抗热震性能
• 6.3.2 ACW复合陶瓷材料抗热震性能评价
• 6.3.3 ACW复合陶瓷材料表面裂纹热震扩展
• 6.4 本章结论
• 附录
• 参考文献
• 第7章 A1203复合陶瓷材料应用基础研究
• 7.1 A1203复合陶瓷材料喷砂嘴制备
• 7.1.1 ACW复合陶瓷喷砂嘴烧结及喷砂应用
• 7.1.2 ACW复合陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损分析
• 7.2 A1203复合陶瓷材料挤压凹模设计与制备
• 7.2.I A卜O:复合陶瓷挤压凹模的有限元分析
• 7.2.2 A120:复合陶瓷挤压凹模的热压烧结
• 7.3 本章结论
• 参考文献
• 第8章 结论
• 攻读博士学位期间取得的相关研究成果
• 谢辞
• 学位论文评阅及答辩情况表