Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的爆炸合成及快速凝固

摘要

共晶陶瓷作为一种陶瓷基复合材料,在微米和纳米级尺寸上具有独特的微观结构。目前,有关共晶陶瓷的研究主要集中在Al2O3-ZrO2共晶体系上,因为其具有一系列优异的热力学、物理和机械性能,例如超高的硬度、优秀的抗氧化性以及高温下的强度保留。本论文利用高温爆炸喷涂法制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷涂层。通过Al和Zr(NO3)4之间的铝热反应放热,将反应体系当中的Al2O3和ZrO2加热至熔点以上,在铜板上进行快速冷却然后凝固结晶。同时,本文还利用XRD、SEM等检测方法对爆炸合成反应产物进行了物相分析和微观形貌的观察。
　　通过热力学计算,得到了Al-Zr(NO3)4-Al2O3-ZrO2和Al-Zr(NO3)4-ZrB2-SiC体系分别在高压爆炸喷涂和低压燃烧合成实验中,绝热温度、反应压力以及反应剂含量之间的关系。借助了亥姆霍兹函数这一概念,并通过亥姆霍兹自由能的计算,分析了体系中反应产物的稳定性,发现反应产物中的碳化物和氮化物稳定性受到温度和压力的影响。通过对Al-Zr(NO3)4-Al2O3-ZrO2体系不同实验条件反应产物的XRD分析,我们发现ZrN、Al3Zr等反应产物的稳定性变化规律与热力学分析结果相符,说明我们的热力学分析方法是可行的。
　　通过SEM观察,得到了其微观组织的演变规律:随着反应剂含量的升高,体系中物质熔化的越充分,共晶组织的含量越高,当反应剂含量达到60％以上时,基本上得到100%的共晶组织材料;在平衡凝固条件下,当体系中的两相偏离共晶比例时,会先从熔体中析出Al2O3或ZrO2初晶,并以枝晶方式生长,当体系再度达到共晶比例时,开始析出共晶相,且无论是过共晶体系还是亚共晶体系,生成的Al2O3-ZrO2共晶相都基本符合Al2O3-ZrO2二元体系的标准共晶比例;快速凝固条件下,由于冷却温度不同导致薄膜材料的分层,每一层表现出不同的微观形貌和力学性能。
　　将稀释剂改为ZrB2、SiC,利用高温爆炸合成法制备Al2O3/ZrO2/ZrB2/SiC陶瓷。同时利用XRD、SEM等检测方法对反应产物进行了物相分析和微观形貌的观察。得到了其微观组织的演变规律:在温度较低时,体系中生成了Al2O3-ZrO2棒状共晶组织,直径大约200nm-300nm;温度提高时,体系中得到了ZrB2-SiC不规则共晶组织,共晶组织中ZrB2和SiC的质量比大约为1.5:1;在快速凝固的薄膜材料中,没有发现共晶组织和分层现象。

目录

Al2O3-ZrO2 共晶陶瓷的爆炸合成及快速凝固

EXPLOSIVE SYNTHESIS AND RAPID SOLIDIFICATION OF Al2O3-ZrO2 EUTECTIC CERAMICS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 共晶陶瓷的研究现状

1.2.2 共晶陶瓷的制备方法

1.2.3 共晶组织的分类

1.3 本课题主要研究内容

第2章 实验材料和实验方法

2.1 实验原料

2.2 材料的制备工艺流程

2.2.1 反应原料的预处理

2.2.2 实验工艺过程

2.3 材料测试方法

2.3.1 X射线衍射分析

2.3.2 扫描电子显微镜分析

2.3.3 能谱分析

2.3.4 纳米硬度分析

第3章 爆炸合成反应的热力学分析

3.1 引言

3.2 体系绝热温度的计算

3.3 反应压力的计算

3.3.1 组分配比对反应压力的影响

3.3.2 反应压力的计算

3.4 体系的热力学产物预测

3.4.1 反应的吉布斯自由能计算

3.4.2 自由能计算的修正

3.4.3 反应产物的稳定性分析

3.4.4 最小自由能法预测反应产物

3.5 本章小结

第4章 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的爆炸合成及分析

4.1 引言

4.2 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的制备过程

4.3 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的反应产物分析

4.3.1 反应剂含量对反应产物的影响

4.3.2 组分配比对反应产物的影响

4.4 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷微观形貌分析

4.4.1 反应剂含量对微观形貌的影响

4.4.2 组分配比对微观形貌的影响

4.4.3 快速凝固条件下材料的微观形貌

4.4.4 微观形貌对材料硬度的影响

4.5 本章小结

第5章 Al2O3/ZrO2/ZrB2/SiC陶瓷的爆炸合成及分析

5.1 引言

5.2 Al2O3/ZrO2/ZrB2/SiC陶瓷的制备过程

5.3 Al2O3/ZrO2/ZrB2/SiC陶瓷的物相分析

5.4 Al2O3/ZrO2/ZrB2/SiC陶瓷的微观组织分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢