纳米AlN陶瓷材料制备和超塑性研究

论文摘要

陶瓷超塑性是解决陶瓷材料难于加工问题的新途径。AlN陶瓷是一种理想的电子封装材料,应用前景十分广阔,复杂形状的AlN陶瓷零件应用越来越广泛,然而到目前为止,国际上还没有制备出具有超塑性的纳米AlN陶瓷。本文采用MoSi2作为烧结助剂,通过真空热压烧结方法烧结纳米AlN粉体,制备了具有超塑性的纳米AlN陶瓷,研究了纳米AlN陶瓷的微观组织、力学性能和超塑性性能。采用机械合金化的方法制备纳米晶MoSi2烧结助剂,球磨时间分别为96h、144h和192h,在球磨罐转速选为510rpm的条件下分别得到三组MoSi2粉体。对三组MoSi2粉体做XRD、TEM、DTA及EDS等分析,得到它们的组织性能和晶粒尺寸,通过比较得出球磨时间144h的MoSi2粉体组织均匀且晶粒尺寸最小,只有12.68nm。将球磨时间144h的MoSi2粉体作为烧结助剂,采用真空热压烧结方法在1500℃、1600℃和1700℃的温度下烧结AlN粉体,得到纳米AlN陶瓷。为便于比较,在对应烧结温度下又烧结出纯AlN陶瓷。将得到的陶瓷块体做XRD、TEM及DTA分析以得到它们的组织性能;同时也研究了陶瓷块体材料的弹性模量、维氏硬度和断裂韧性等力学性能。通过比较得出:以MoSi2粉体作为烧结助剂的纳米AlN陶瓷,在相同烧结温度下致密度大幅度提高,最大可以达到99.1%;而且塑性明显优于纯AlN陶瓷。对纳米AlN陶瓷进行压缩和挤压实验,在1600℃,应变速率为4.0×10-3s-1的条件下,压缩比达到71%,表明纳米AlN陶瓷具有优良的超塑性。在1600℃,对纳米陶瓷进行了正反复合挤压成形,成形出了陶瓷环形试件,用SuperForm有限元软件对纳米AlN陶瓷超塑性挤压过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较,得到了纳米陶瓷超塑性变形的基本规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 氮化铝陶瓷的性能及烧结方法
• 1.2.1 氮化铝陶瓷的性能
• 1.2.2 氮化铝陶瓷的烧结方法
• 2 的制备方法'>1.3 烧结助剂MoSi₂的制备方法
• 1.4 氮化铝陶瓷的应用
• 1.5 陶瓷超塑性及超塑性成形的发展
• 1.5.1 超塑性的类型、特征
• 1.5.2 陶瓷超塑性和超塑性成形研究进展
• 1.6 选题的目的和意义
• 1.7 本文研究的主要内容
• 2粉体'>第2章 机械合金化制备纳米晶MoSi₂粉体
• 2.1 引言
• 2.2 材料与实验方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 材料的组织结构分析方法
• 2.3.1 X 射线分析
• 2.3.2 扫描电镜
• 2.3.3 差热分析
• 2.3.4 晶粒尺寸大小的测量
• 2.3.5 透射电镜观察
• 2.4 结果与讨论
• 2.5 本章小结
• 第3章 纳米 AlN 粉体的烧结行为
• 3.1 引言
• 3.2 纳米 AlN 块体烧结
• 3.2.1 粉末制备
• 3.2.2 烧结模具设计
• 3.2.3 烧结压力计算
• 3.2.4 烧结条件及烧结实验工艺曲线
• 3.2.5 粉末的DSC 测试
• 3.2.6 材料微观组织与力学性能测试方法
• 3.3 烧结实验结果与分析
• 3.3.1 试样的X 射线衍射相分析
• 3.3.2 SEM 观察及试样的烧结结果
• 3.4 力学性能
• 3.4.1 弹性模量
• 3.4.2 维氏硬度
• 3.4.3 断裂韧性
• 3.5 本章小结
• 第4章 纳米 AlN 陶瓷的超塑性研究
• 4.1 引言
• 4.2 压缩实验
• 4.2.1 压缩实验条件
• 4.2.2 压缩实验结果与分析
• 4.3 超塑性挤压试验
• 4.3.1 超塑性挤压试验条件
• 4.3.2 挤压压力计算
• 4.3.3 挤压实验结果与分析
• 4.4 超塑性变形机理
• 4.5 超塑性变形的有限元模拟
• 4.5.1 数值模拟分析平台的建立
• 4.5.2 纳米AlN 陶瓷超塑性挤压工艺数值模拟中的建模
• 4.5.3 几何模型
• 4.5.4 材料模型
• 4.5.5 边界模型
• 4.6 纳米 AlN 陶瓷超塑性挤压工艺模拟结果与分析
• 4.6.1 不同温度超塑性挤压时的等效应力分析
• 4.6.2 模拟挤压成形力结果分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研项目及主要成果
• 致谢
• 作者简介