微波合成莫来石增韧Al2O3-SiC复合材料的工艺及机理研究

摘要

微波烧结作为一种节能环保的烧结技术，受到国内外研究者的密切关注，因其独特的烧结特性，被广泛应用于各种材料的制备。本课题采用混合微波烧结合成莫来石晶须增韧的Al2O3-SiC复合材料，研究微波烧结工艺对莫来石晶须生长机制的影响规律，揭示微波与物质间的作用机理。
　　本课题设计组分为50Al2O3-50SiC(vol.％)的复合材料，用1500℃微波热解氢氧化铝前驱体得到的α-Al2O3微粉和溶胶凝胶法制备的10vol.% SiO2包裹的SiC颗粒混合得到复合材料。通过改变微波烧结的温度、保温时间和SiC颗粒尺寸，对50Al2O3-50SiC复合材料进行工艺研究，并通过调节微波烧结炉的入射功率来控制Al2O3-SiC复合材料的升温速率。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及附带的能谱仪等表征手段对Al2O3-SiC复合材料进行成分和显微结构分析。用体积密度、抗热震性能、断裂韧性等检测手段对Al2O3-SiC复合材料进行性能分析。
　　研究结果表明：微波烧结可以成功合成莫来石增韧的Al2O3-SiC复合材料，其最佳的微波烧结温度为1500℃，保温时间为30min，复合材料中选用的最优SiC颗粒尺寸约为5μm，对应的样品的体积密度最大，抗热震能力和断裂性能最好。在5次热冲击后的抗弯强度能保持0次热冲击后的40%左右，10次热冲击后的抗弯强度仍可保持在30%以上，15次热冲击后的抗弯强度基本不再发生变化，断裂韧性值能达到2.12±0.21MPa·m1/2。
　　在微波烧结过程中，SiC颗粒优先吸收微波产生局部热点效应，使局部瞬间升温，热量由内向外扩散，促使Al2O3和SiO2反应生成莫来石，随着微波输入功率的不断增大，局部热点效应加强，促进莫来石的各向异性生长，形成长径较大且桥接在颗粒之间的莫来石晶须。常规电阻炉烧结Al2O3-SiC复合材料时，主要是靠热辐射和热传导来加热，热量由外向内传递，能量耗散大，加热较慢，合成莫来石的速度慢，莫来石的各向异性生长不明显，形成的莫来石长径较小。
　　在微波烧结Al2O3-SiC复合材料，当Al2O3-SiC复合材料中选用的SiC颗粒尺寸太小~500nm时，SiC颗粒吸波损耗的能力低于其表面热量扩散的能力，表面达不到较好的热聚集，合成莫来石的能力受限。而复合材料中的SiC颗粒尺寸过大~150μm时，SiC颗粒吸波损耗的能力高于其表面热量扩散的能力，表面聚集的热量较多，莫来石的各向异性生长不明显，得到的莫来石晶须长径比较小。SiC颗粒存在一个临界尺寸~5μm，当复合材料中的SiC颗粒尺寸分布在临界尺寸范围内时，SiC颗粒吸波损耗的能力和其表面热量扩散的能力基本一致，可以获得长径较大的莫来石晶须。

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1 绪论

1.1 Al2O3-SiC复合材料具有重要的研究价值

1.2 莫来石晶须增韧Al2O3-SiC复合材料值得深入研究

1.3 微波烧结技术值得全面探索

1.4 选题意义与研究内容

2 实验原料、设备及测试方法

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 测试方法

3 Al2O3-SiC复合粉体的制备

3.1 10(vol%)SiO2@SiC微粉的制备与性能表征

3.2 Al2O3-SiC微粉的制备与性能表征

4 微波合成莫来石增韧Al2O3-SiC复合材料工艺研究

4.1 坯体成型

4.2 微波烧结温度对合成莫来石增韧Al2O3-SiC复合材料的影响

4.3 保温时间对合成莫来石增韧Al2O3-SiC复合材料的影响

4.4 SiC尺寸对微波合成莫来石增韧Al2O3-SiC复合材料的影响

5 微波合成莫来石增韧Al2O3-SiC复合材料的机理研究

5.1 微波合成莫来石增韧Al2O3-SiC复合材料局部热点效应探究

5.2 微波合成莫来石增韧Al2O3-SiC复合材料临界尺寸效应探究

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

个人简历、硕士期间取得的成绩

致谢