放电等离子烧结氧化铝/氮化硅细晶复相陶瓷的研究

论文摘要

本文采用放电等离子体烧结法（SPS）制备了氮化硅含量从0wt.%到15wt.%的氧化铝基复相陶瓷材料,对所制备的试样进行了密度、硬度、断裂韧性、X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）的测试。系统研究了氧化铝/氮化硅复相陶瓷的力学性能、微观形貌、晶界显微结构,并讨论了复相陶瓷的不同的组分、烧结工艺参数、显微结构及性能的相互关系以及材料的烧结机理和增韧机理。 实验结果表明:在烧结温度为1450℃、1500℃和1550℃下,制备的氧化铝/氮化硅陶瓷的相对密度和硬度均随温度的升高而略有下降。在1450℃时,氮化硅的含量在0.75wt.%以下及10wt.%时的密度和硬度最好,最大相对密度和硬度分别为100%、20.159 GPa和97.2%、17.943GPa。 在1450℃下当氮化硅含量为10wt.%时的韧性值最高,为5.261MPa·m1/2,与纯氧化铝的断裂韧性4.014 MPa·H1/2相比提高了31.1%。当氮化硅含量继续增大时试样的力学性能又开始大幅下降。 研究结果表明,放电等离子烧结氧化铝基复相陶瓷的致密化主要是通过液相烧结实现的,坯体内在1200℃左右出现液相,开始致密化,该过程中发生氧化铝和氮化硅的固溶反应,生成β′-Sialon相,促进烧结致密化,冷却后形成β′-Sialon的晶内/晶界混合型结构。到1400℃致密化过程已基本结束,其机理主要为溶解—沉淀传质。烧结终结体中只有氧化铝和β′-Sialon存在,观察到氧化铝陶瓷的断裂方式以穿晶断裂为主,说明烧结体具有较高的晶界强度,在断裂时表现出较好的韧性。 这些基础的研究工作对优化与稳定制备工艺,获得性能优良的陶瓷材料有着现实的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米复相陶瓷
• 1.1.1 纳米复相陶瓷的分类
• 1.1.2 纳米复相陶瓷的设计原则
• 1.1.3 纳米复相陶瓷的制备
• 1.1.4 纳米复相陶瓷的增韧强化机理
• 1.2 氧化铝基纳米复相陶瓷
• 1.2.1 氧化铝基纳米复相陶瓷的国内外研究概况
• 1.2.2 氧化铝基复相陶瓷的制备
• 1.2.3 氧化铝基复相陶瓷的特性与应用
• 1.3 本论文研究的目的与意义
• 第2章 实验
• 2.1 实验设想
• 2.2 原料物性参数
• 2.3 实验步骤
• 2.3.1 配料
• 2.3.2 混合干燥
• 2.3.3 烧结工艺
• 2.3.4 试样后处理
• 2.3.5 测试手段
• 第3章 实验结果及分析
• 3.1 测试原理
• 3.1.1 材料密度的测试
• 3.1.2 硬度的测试
• 3.1.3 断裂韧性参数的测试
• 3.2 测试结果
• 第4章 物相变化及微观组织的观察与分析
• 4.1 烧结后的物相变化
• 4.2 微观组织的观察与分析
• 4.2.1 SEM表面及断口形貌观察
• 4.2.2 TEM组织结构分析
• 第5章 烧结及增韧机理分析
• 5.1 烧结机理分析
• 5.1.1 流动传质
• 5.1.2 溶解-沉淀传质
• 5.2 颗粒增韧机理
• 5.2.1 微裂纹增韧
• 5.2.2 残余应力增韧
• 5.2.3 晶粒细化增韧
• 5.2.4 裂纹偏转与桥联增韧
• 第6章 结论及展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士学位期间所发表的论文