论文题目: 高性能Si3N4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料的研制与性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械制造及其自动化
作者: 吕志杰
导师: 艾兴
关键词: 纳米复合陶瓷刀具材料,微观结构,抗热震性能,曲线,抗氧化性能
文献来源: 山东大学
发表年度: 2005
论文摘要: Si3N4基陶瓷刀具材料具有较Al2O3基陶瓷刀具材料低的热膨胀系数、高的断裂韧性和抗热震性,但Si3N4属强共价键化合物,难以烧结致密。同时纯Si3N4陶瓷硬度偏低,耐磨性差,故需其他添加物,利用不同的增韧补强机制提高其性能。 论文首先通过添加聚乙二醇（PEG）,利用超声分散和机械搅拌相结合的方法制备出分散良好的复合陶瓷粉末。并提出在微米级Si3N4基体中添加纳米级Si3N4颗粒和TiC颗粒的方法,成功制备出了性能优良的Si3N4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料。对Si3N4/Si3N4（n）/TiCn、Si3N4/TiCn和Si3N4/Si3N4（n）/TiCsub-μ材料进行了性能对比。利用SEM、TEM等手段观察分析了材料的微观结构组织,研究了复合材料的断裂机理及TiC颗粒、Si3N4类晶须晶粒双峰分布对Si3N4/TiC复合材料综合补强增韧机理。采用维氏压痕-淬火法研究了材料的抗热震性能,压痕-强度衰减法研究了材料的R曲线。最后对复合材料进行了高温氧化试验和陶瓷刀具的切削性能对比试验。 由分散试验可知,通过优化分散剂分子量、分散剂用量、悬浮液浓度和pH值等参数,结合超声和机械搅拌,可制备出分散良好的复合粉末。由TEM观察可知,组分纳米粉末及复合粉末分散状况良好,无团聚现象。 讨论了纳米复合材料的制备工艺原则和烧结机制,利用分段温升和分段加压的方式,制备出了相对密度大于98%的致密复合材料。 相组成和微观组织观察研究表明,Si3N4/TiC纳米复合陶瓷材料的组成相是β-Si3N4、TiC和晶界玻璃相。纳米TiC颗粒主要分布于Si3N4基体晶界处,少量分布于晶内。纳米Si3N4颗粒的加入,促进了长柱状Si3N4类晶须晶粒双峰分布及类晶须晶粒相互嵌合微观结构的形成。 力学性能研究表明,添加纳米Si3N4颗粒和TiC颗粒形成的类晶须晶粒双峰分布和颗粒补强增韧的Si3N4/TiC纳米复合陶瓷材料,强度达1025MPa,
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 纳米复合陶瓷材料概述
1.1.1 纳米相对复合陶瓷力学性能的影响
1.1.2 纳米复合陶瓷材料的制备
1.1.3 纳米复合陶瓷材料的强韧化机理
1.2 国内外陶瓷刀具的研究现状
1.2.1 Al_2O_3基陶瓷刀具
1.2.2 Si_3N_4基陶瓷刀具
1.3 复合陶瓷刀具材料设计
1.3.1 高性能陶瓷刀具研究设计现状
1.3.2 高性能复合陶瓷刀具材料的设计原则
1.3.2.1 物化相容性
1.3.2.2 高温力学性能
1.3.2.3 抗氧化与抗挥发性
1.3.2.4 抗蠕变性能
1.3.2.5 抗热震性能
1.3.2.6 陶瓷刀具材料的复合原则
1.4 存在的问题及发展方向
1.4.1 存在问题
1.4.2 发展方向
1.5 研究目的与意义
1.6 各章内容介绍
第2章 纳米粉体的分散与复合材料的制备
2.1 纳米复合粉体的制备
2.1.1 纳米颗粒的分散
2.1.1.1 液体介质中纳米颗粒间的作用
2.1.1.2 液体介质中纳米颗粒的分散过程
2.1.1.3 悬浮液的分散稳定机制
2.1.2 影响悬浮液稳定的因素
2.1.2.1 粒径、粒度分布与颗粒表征
2.1.2.2 分散剂
2.1.2.3 悬浮液pH值
2.1.3 实验原料和实验仪器
2.1.4 实验过程与结果
2.1.4.1 原料的酸洗
2.1.4.2 沉降实验
2.1.4.3 纳米粉末的分散结果与讨论
2.1.4.4 多组分复合粉体的分散与制备
2.2 纳米复合材料的制备
2.2.1 原材料
2.2.2 复合材料的制备及命名规则
2.2.3 纳米复合材料的热压烧结工艺
2.2.3.1 制备工艺原则
2.2.3.2 热压烧结工艺三要素
2.2.3.3 烧结机制
2.3 本章小结
第3章 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料的力学性能及微观结构
3.1 物理力学性能测试和微观结构表征
3.1.1 密度
3.1.2 抗弯强度
3.1.3 断裂韧性
3.1.4 硬度
3.1.5 相组成
3.1.6 断口及表面形貌分析
3.1.7 显微组织结构的透射电镜(TEM)观察
3.2 复合材料组分及纳米复合陶瓷XRD分析
3.2.1 材料组分XRD分析
3.2.2 制备纳米复合陶瓷材料XRD衍射图
3.3 纳米复合陶瓷材料力学性能
3.3.1 纳米复合陶瓷材料的致密化
3.3.2 纳米复合陶瓷材料力学性能
3.4 纳米复合陶瓷材料的微观结构
3.4.1 纳米复合陶瓷材料表面SEM分析
3.4.2 微观结构分析
3.4.3 纳米复合陶瓷材料断口分析
3.4.4 纳米复合陶瓷材料TEM分析
3.4.5 纳米复合陶瓷材料裂纹扩展路径分析
3.5 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷强韧化模型与强韧化机理
3.5.1 强韧化陶瓷材料微观结构设计
3.5.2 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷强韧化模型
3.5.3 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷强韧化机理
3.6 本章小结
第4章 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料的抗热震性能和R曲线
4.1 陶瓷材料抗热震性能测试方法
4.1.1 强度-衰减法
4.1.2 压痕-淬火法
4.2 维氏压痕-淬火法试验
4.2.1 试验方法
4.2.2 试验结果
4.2.3 热震循环试样表面形态观察
4.2.4 淬火-残余强度法结果验证
4.3 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷材料的R曲线
4.3.1 理论分析
4.3.2 维氏压痕-抗弯强度法可行性分析
4.3.3 材料R曲线行为
4.3.4 材料抗热震性能与断裂韧性的关系
4.3.5 材料R曲线与抗热震性的内在联系
4.4 本章小结
第5章 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料高温氧化性能
5.1 氧化试验
5.2 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料的氧化性能
5.2.1 Si_3N_4/TiC纳米复合材料的氧化动力学
5.2.2 Si_3N_4/TiC纳米复合材料的氧化机理
5.2.3 氧化对Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷材料强度的影响
5.3 本章小结
第6章 Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷刀具切削性能研究
6.1 切削力和切削温度测试原理
6.1.1 切削力测试原理
6.1.2 切削温度测试原理
6.2 mnST28纳米复合陶瓷刀具切削球墨铸铁性能研究
6.2.1 试验条件
6.2.2 试验结果
6.2.3 刀具磨损机理分析
6.3 mnST28纳米复合陶瓷刀具切削淬硬T10A工具钢性能研究
6.3.1 试验条件
6.3.2 试验结果
6.3.3 陶瓷刀具的磨损与破损机理分析
6.4 本章小结
第7章 结论
参考文献
附录
攻读博士期间发表的论文及取得的成果
致谢
发布时间: 2005-10-17
参考文献
- [1].多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究[D]. 刘含莲.山东大学2005
- [2].纳米复合陶瓷刀具材料多尺度模拟研究[D]. 成红梅.山东大学2011
- [3].Al2O3基梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能研究[D]. 李艳征.山东大学2011
- [4].Sialon-Si3N4梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及高速切削性能研究[D]. 郑光明.山东大学2012
- [5].Si3N4/（W,Ti）C/Co梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及其切削性能研究[D]. 田宪华.山东大学2015
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- [3].高性能Ti（C，N）基金属陶瓷材料及其刀具切削性能研究[D]. 许育东.合肥工业大学2005
- [4].原位生长晶须增韧氧化铝陶瓷刀具及切削性能研究[D]. 刘炳强.山东大学2007
- [5].烧结过程中陶瓷刀具材料微观组织结构演变模拟研究[D]. 方斌.山东大学2007
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