燃烧反应加热结合快速加压法制备纳米陶瓷的工艺与机理研究

摘要

燃烧反应加热结合快速加压法是制备致密的纳米陶瓷的一种高效且经济的方法。此方法利用燃烧反应的热效应为纳米陶瓷提供烧结所需的温度条件，并在高外加压力的作用下快速地致密化纳米陶瓷。在此过程中，高外加压力有利于促进纳米陶瓷的致密化进程，从而克服了传统的燃烧反应法的产物致密度较低的缺点。而且，此方法提供了超高的升温速率(>1600 K/min)和较短的高温阶段的持续时间(不超过数分钟)等特别的温度条件，从而使纳米陶瓷在烧结过程中的晶粒生长现象被有效地抑制。
　　本论文采用燃烧反应加热结合快速加压法制备了多种高致密度的纳米陶瓷。此外，纳米陶瓷在高温和高压条件下的致密化及晶粒生长过程，以及对应的传质机理也被系统地研究。
　　首先，以平均颗粒尺寸为50 nm的氧化镁多晶陶瓷粉体为原料，采用由镍粉和铝粉组成的燃烧反应体系为纳米陶瓷提供烧结所需的温度条件。相对致密度为99.1％的氧化镁纳米陶瓷在烧结温度为1620 K和压力为170 MPa的条件下被制备，而同时进行的晶粒长大过程几乎被完全抑制。而且，此纳米陶瓷的与压力相关的致密化机制，包括塑性流动、扩散和位错蠕变等机制被分别研究。结果显示，由晶界扩散蠕变机制辅助的塑性流动机制为此致密化过程的速率控制机制。此外，一种尚未被定义的应力的回复机制被认为可能在此致密化过程中辅助塑性流动机制，从而将塑性流动机制的致密化速率提高但不引发晶粒内部的位错增殖及晶粒塑性变形现象。
　　随后，我们采用平均晶粒尺寸为100 nm的氧化镁纳米陶瓷粉体为原料，研究纳米陶瓷的晶粒生长机制的主导机制及作用效果。在经优化的压力条件和烧结温度为2080 K的条件下，氧化镁陶瓷的平均晶粒尺寸增大至500 nm，且其微观结构中存在着典型的气相传质机制的作用特征。模型分析和微观形貌观察的结果显示，气相传质(蒸发-凝聚)机制为此条件下的晶粒长大(或颈部长大)过程的主导机制，且其作用效果在压力作用下得到强化。此外，外加压力的施加被认为有利于降低固相传质机制所产生的晶粒长大效果，但增强了气相传质机制所导致的晶粒长大效果，并可将主导的晶粒生长机制由表面扩散机制转变为蒸发-凝聚机制。
　　最后，对纳米陶瓷的晶粒生长现象的抑制机制进行研究，而采用此方法制得的高致密度的氧化钇纳米陶瓷(相对致密度为98.5％)被作为研究对象。通过对其显微结构的演变过程和主导机制的作用效果的研究可知，超高升温速率和在最高温度时施加的高压力的协同作用，不仅实现了纳米陶瓷的快速致密化，而且有效地抑制了烧结前期的以表面扩散机制为主导的颗粒粗化现象。而在烧结后期，被保持的纳米结构有助于维持扩散致密化机制高效地进行，从而降低纳米陶瓷致密化所需的烧结温度并减少必要的高温阶段的持续时间，进而达到限制晶粒长大效果的目的。而且，高密度的纳米级晶界孔隙可在低烧结温度下有效地阻止晶界迁移现象的发生，从而抑制以晶界迁移机制为主导的烧结后期的晶粒长大现象，并且促进基于扩散机制的致密化进程。相比之下，过高的烧结温度不但会引起晶粒尺寸严重增大甚至晶粒异常长大现象，还会导致闭气孔的产生和陶瓷最终致密度的降低。

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第一章 绪 论

1.1 燃烧反应加热技术的研究进展

1.2 纳米材料性质及制备方法的研究进展

1.3 燃烧反应加热结合快速加压法制备纳米陶瓷的研究进展

第二章 实验方法和研究方向

2.1燃烧反应加热结合快速加压法

2.2 表征和测试方法

2.3 燃烧反应加热结合快速加压法制备纳米陶瓷及烧结机理研究方向

第三章 燃烧反应加热结合快速加压法制备纳米陶瓷及致密化机理研究

3.1 燃烧反应体系—温度条件的选择

3.2 燃烧反应加热结合快速加压法制备纳米陶瓷

3.3 纳米陶瓷的快速致密化机理研究

3.4 本章小结

第四章 燃烧反应加热结合快速加压制备纳米陶瓷及晶粒生长机理研究

4.1 燃烧反应体系和纳米陶瓷粉体的选择

4.2 燃烧反应加热结合快速加压制备纳米陶瓷

4.3 纳米陶瓷的晶粒生长机理研究

4.4 本章小结

第五章 燃烧反应加热结合快速加压法制备纳米陶瓷及快速致密化过程的晶粒长大抑制机理研究

5.1 燃烧反应体系和纳米陶瓷粉体的选择

5.2 燃烧反应加热结合快速加压法的烧结条件

5.3 燃烧反应加热结合快速加压法制备纳米陶瓷

5.4 纳米陶瓷的快速致密化过程中的晶粒长大抑制机理研究

5.5 本章小结

第六章 结 论

参考文献

作者攻读博士学位期间发表的学术成果

致谢