包覆式ZrB2-YAG-Al2O3陶瓷的制备及其性能评价

论文摘要

硼化锆具有极高的熔点、硬度、化学稳定性、良好的导电导热性等优良特性,因此在航空航天、耐火、切削、电极等领域有广泛的应用前景。但是,ZrB2难以烧结致密、高温下易氧化及抗热震能力差,使其实用化难以实现。如何获得高致密ZrB2陶瓷并提高其高温抗氧化性和抗热震性,是当今ZrB2陶瓷研究的一个热点。本论文提出将烧结致密化和提高抗氧化能力一体化解决的思路:将ZrB2原料粉体表面改性,制备出具有包覆结构的ZrB2陶瓷。具体来讲,就是在ZrB2粉体表面包覆易烧结、不氧化的陶瓷粉体Y2O3-Al2O3,再通过放电等离子烧结（SPS）制备出具有YAG包覆ZrB2和YAG-Al2O3包覆ZrB2结构的ZrB2-YAG和ZrB2-YAG-Al2O3陶瓷。首先,采用化学沉淀法制备Al（OH）3-Y（OH）3包覆ZrB2粉体。对影响ZrB2分散稳定性的因素和Al（OH）3-Y（OH）3包覆ZrB2效果的因素进行了分析。研究了浆体浓度、分散剂种类及含量、分散方式及时间和pH值对ZrB2分散稳定性的影响。得出了适宜的分散条件:分散剂为2vol%的PMAA、超声时间为10min和pH值为9。研究了ZrB2分散稳定性、pH值、溶液浓度、滴定速度和反应时间对ZrB2包覆效果的影响。得出了适宜的包覆条件:分散剂2vol%-PMAA,超声10min、pH=9、溶液浓度为Al3+=0.017mol/L,Y3+=0.01mol/L、滴定速度为0.05ml/s、反应时间60min。其次,采用SPS烧结工艺制备了ZrB2-YAG和ZrB2-YAG-Al2O3陶瓷。研究了ZrB2-YAG的致密化过程以及工艺参数对致密化和陶瓷性能的影响。ZrB2-YAG烧结时的收缩主要是由ZrB2表面包覆的Al2O3-Y2O3收缩以及反应生成的YAG收缩造成的。通过对烧结温度、烧结压力以及保温时间对陶瓷致密度、弹性模量和断裂韧性的影响研究,得到了优化的制备工艺:烧结温度为1700℃、烧结压力为20MPa和保温时间为4min。由包覆粉体原料烧结的陶瓷致密度明显高于纯ZrB2陶瓷,所制备的ZrB2-YAG和ZrB2-YAG-Al2O3陶瓷具有包覆式显微结构。含30%YAG的ZrB2-YAG陶瓷的相对密度、杨氏模量和断裂韧性分别为98.3%、426GPa和4.15MPam1/2,表明YAG的加入可以实现ZrB2在较低的温度（1700℃）下的致密化。YAG-Al2O3含量为30wt%时,SPS最优工艺制备ZrB2-YAG-Al2O3陶瓷的相对密度、杨氏模量和断裂韧性分别为98.8%、435GPa和4.23MPam1/2,表明随着Al2O3比例增大,陶瓷不但更容易致密化,而且力学性能也有所提高。此外,为了对比,用机械混合原料采用相同烧结工艺制备了ZrB2-YAG和ZrB2-YAG-Al2O3陶瓷。结果表明由包覆型原料制备的陶瓷断裂韧性更高,说明了具有包覆结构的材料具有更好的机械性能。研究了ZrB2-YAG和ZrB2-YAG-Al2O3陶瓷在700—1600℃的高温氧化性能。结果表明:相同SPS条件下制备的纯ZrB2陶瓷900℃就出现较明显的氧化增重,而ZrB2-YAG和ZrB2-YAG-Al2O3陶瓷出现明显氧化增重的温度为1200℃。在相同氧化条件下,随陶瓷中不能氧化的相（YAG或YAG-Al2O3）含量增大,氧化层越薄。随Al2O3含量的增加,陶瓷表现出更好的抗氧化能力,尤其是在更高的温度下（＞1300℃）。此时Al2O3与B2O3在表面形成较致密的氧化阻挡层(Al18B4O33)。由包覆粉体原料制备的陶瓷与由机械混合粉体制备的陶瓷相比氧化层变薄,说明包覆结构能够在一定程度上改善陶瓷的抗氧化能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高温材料
• 1.1.1 难熔金属
• 1.1.2 碳化物和C/C材料
• 1.1.3 硼化物
• 2陶瓷材料'>1.2 ZrB₂陶瓷材料
• 2的结构与性质'>1.2.1 ZrB₂的结构与性质
• 2陶瓷的应用'>1.2.2 ZrB₂陶瓷的应用
• 1.2.2.1 耐火材料
• 1.2.2.2 电极材料
• 1.2.2.3 其它材料
• 2陶瓷的研究现状'>1.2.3 ZrB₂陶瓷的研究现状
• 1.2.3.1 致密化研究
• 1.2.3.2 陶瓷材料研究
• 1.2.3.3 氧化研究
• 2O₃材料'>1.3 YAG和Al₂O₃材料
• 1.4 粉体包覆技术
• 1.4.1 包覆机理
• 1.4.1.1 化学键作用机理
• 1.4.1.2 静电作用机理
• 1.4.1.3 吸附层媒介作用机理
• 1.4.2 包覆方法
• 1.4.2.1 溶胶-凝胶法
• 1.4.2.2 沉淀法
• 1.4.2.3 异质絮凝法
• 1.4.2.4 乳液聚合法
• 1.5 课题的提出及论文的研究内容
• 1.5.1 课题的提出
• 1.5.2 主要内容
• 2O₃-Y₂O₃/ZrB₂复合粉体的制备'>第2章 包覆式Al₂O₃-Y₂O₃/ZrB₂复合粉体的制备
• 2.1 实验过程
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 粉体在水溶液中的分散稳定性评价
• 2.1.2.1 评价方法
• 2.1.2.2 评价试验
• 2.1.2.3 测试及表征
• 2.1.3 包覆粉体的制备
• 2.1.3.1 原料
• 2O₃-Y₂O₃/ZrB₂复合粉体的制备'>2.1.3.2 Al₂O₃-Y₂O₃/ZrB₂复合粉体的制备
• 2.1.3.3 测试及表征
• 2.2 结果与讨论
• 2粉体分散稳定性的因素'>2.2.1 影响ZrB₂粉体分散稳定性的因素
• 2.2.1.1 浆体浓度的影响
• 2.2.1.2 分散剂的影响
• 2.2.1.3 分散剂含量的影响
• 2.2.1.4 分散时间及方式的影响
• 2.2.1.5 pH值的影响
• 2.2.2 影响包覆效果的因素
• 2.2.2.1 分散的影响
• 2.2.2.2 pH值的影响
• 2.2.2.3 溶液浓度的影响
• 2.2.2.4 滴定速度的影响
• 2.2.2.5 反应时间的影响
• 2O₃-Y₂O₃/ZrB₂复合粉体的制备及表征'>2.2.3 Al₂O₃-Y₂O₃/ZrB₂复合粉体的制备及表征
• 2.3 小结
• 2-YAG陶瓷的制备及其性能'>第3章 ZrB₂-YAG陶瓷的制备及其性能
• 3.1 实验过程
• 2-YAG陶瓷的制备'>3.1.1 ZrB₂-YAG陶瓷的制备
• 3.1.1.1 陶瓷的制备
• 3.1.1.2 常温性能评价
• 3.1.1.3 测试及表征
• 2-YAG陶瓷的氧化性能评价'>3.1.2 ZrB₂-YAG陶瓷的氧化性能评价
• 3.1.2.1 试样的制备
• 3.1.2.2 氧化性能评价方法
• 3.1.2.3 测试及表征
• 3.2 结果与讨论
• 2-YAG陶瓷的制备'>3.2.1 ZrB₂-YAG陶瓷的制备
• 3.2.1.1 YAG的制备
• 2-YAG陶瓷的致密化过程'>3.2.1.2 ZrB₂-YAG陶瓷的致密化过程
• 3.2.1.3 制备工艺优化
• 2-YAG陶瓷的制备'>3.2.1.4 不同YAG含量的ZrB₂-YAG陶瓷的制备
• 2-YAG陶瓷的氧化性能评价'>3.2.2 ZrB₂-YAG陶瓷的氧化性能评价
• 3.2.2.1 氧化温度
• 3.2.2.2 氧化时间
• 2-YAG陶瓷氧化性能的影响'>3.2.2.3 YAG含量对ZrB₂-YAG陶瓷氧化性能的影响
• 3.3 小结
• 2-YAG-Al₂O₃陶瓷的制备及其性能'>第4章 ZrB₂-YAG-Al₂O₃陶瓷的制备及其性能
• 4.1 实验过程
• 2-YAG-Al₂O₃陶瓷的制备'>4.1.1 ZrB₂-YAG-Al₂O₃陶瓷的制备
• 2-YAG-Al₂O₃陶瓷的性能评价'>4.1.2 ZrB₂-YAG-Al₂O₃陶瓷的性能评价
• 4.2 结果与讨论
• 2-YAG-Al₂O₃陶瓷的制备'>4.2.1 ZrB₂-YAG-Al₂O₃陶瓷的制备
• 2-YAG-Al₂O₃陶瓷的致密化过程'>4.2.1.1 ZrB₂-YAG-Al₂O₃陶瓷的致密化过程
• 4.2.1.2 制备工艺
• 2O₃含量的ZrB₂-YAG-Al₂O₃陶瓷制备'>4.2.1.3 不同YAG-Al₂O₃含量的ZrB₂-YAG-Al₂O₃陶瓷制备
• 4.2.1.4 不同原料的陶瓷制备
• 2-YAG-Al₂O₃陶瓷的氧化性能评价'>4.2.2 ZrB₂-YAG-Al₂O₃陶瓷的氧化性能评价
• 4.2.2.1 氧化温度
• 4.2.2.2 氧化时间
• 4.2.2.3 添加相对陶瓷氧化性能的影响
• 4.2.2.4 原料对陶瓷氧化性能的影响
• 4.2.2.5 陶瓷氧化模型
• 4.3 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的成果及获奖情况
• 致谢