钢纤维增韧陶瓷基复合材料性能研究

摘要

随着科学技术的不断发展，各个领域对材料的要求也在不断提高。传统材料已经越来越无法满足需要，材料的复合化是提高其原有性能的一条良好途径。作为三大材料之一的陶瓷材料，如何解决其固有的脆性是陶瓷基材料复合的关键。目前，陶瓷基材料的复合增韧方法很多，并且取得了很大的成果。但是采用钢纤维作为增强相联合其他增韧因素协同增韧陶瓷基复合材料的研究还比较少见。 本文采用了较成熟的陶瓷基体Al2O3—ZrO2—TiO2，加以少量的BN和黏土作为助剂，以钢纤维为增韧相，以一定的升温制度在1200℃下烧结制备钢纤维增韧陶瓷基复合材料。分别从成型因素（包括粘结剂和成型压力）、主基体配比、粉料粒径等方面入手，通过一定的测试分析手段讨论了陶瓷基体因素对钢纤维增韧陶瓷基复合材料性能的影响。陶瓷主基体中物质之间的互相作用，粉料粒径的大小都对材料性能好坏起到一定程度的影响。最后实验结果为，在确定成型因素并且选择了适当粒径的Al2O3（50μm）后，当Al2O3—ZrO2—TiO2质量比为50：15：15时，材料有相对较好的性能，最高抗压强度和抗弯强度分别为273.62MPa和73.68MPa，此时钢纤维的含量为10％ （wt％）。在确定陶瓷基体的基础上提高钢纤维的含量，分析讨论钢纤维对材料增强机理。发现随着钢纤维含量的增加，材料的力学性能有一个先上升后衰减的过程；同时，长径比大的钢纤维增强效果要好于长径比小的钢纤维。当钢纤维含量为24％ （wt％）时，材料的力学性能最好，抗压强度和抗弯强度分别达到364.56MPa和103.54MPa。将钢纤维的含量从24％ （wt％）减少到18％（wt％），然后分别添加6％（wt％）的Cu、Ni、Fe、Fe3Al粉末。发现，添加不同的金属粉末都能使材料的性能得到一定的提升。其中，添加Fe粉的效果最好，材料的抗压强度和抗弯强度分别达到了435.68MPa和127.47MPa。各金属粉末在一定程度上加强了钢纤维和陶瓷基体的界面结合力，提高了材料的性能。部分弥补了钢纤维和陶瓷基体相容性差的缺点。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1复合材料简介

1.2陶瓷基复合材料概述

1.2.1陶瓷基体材料

1.2.2陶瓷基材料成型方法

1.2.3陶瓷基材料的烧结

1.3增韧方法及原理

1.3.1相变增韧

1.3.2纤维及晶须增韧

1.3.3第二相弥散增韧

1.4钢纤维材料增韧概述

1.4.1钢纤维增韧陶瓷基材料优缺点

1.4.2钢纤维在复合材料中的应用

1.5本课题的意义及创新点

1.5.1本课题的目的意义

1.5.2本课题的创新点

第2章试样的制备以及表征方法

2.1主要使用的试剂及原料

2.2实验主要设备

2.3试样制备

2.3.1制备方法流程

2.3.2试样的烧结

2.4材料测试及表征

2.4.1密度及气孔率的测定

2.4.2热重差热分析(TG-DTA)

2.4.3材料力学性能的测定

2.4.4扫描电镜分析(SEM)

2.4.5 X射线衍射分析(XRD)

第3章成型因素对材料性能的影响

3.1实验方法

3.2实验结果

3.3分析讨论

3.3.1热重差热分析(TG-DTA)

3.3.2试样的密度以及气孔率分析

3.3.3试样的力学性能分析

3.3.4试样的显微结构分析(SEM)

3.4本章小结

第4章主基体对材料性能影响

4.1主基体配比实验

4.1.1实验方法

4.1.2实验结果

4.1.3分析讨论

4.2改变Al2O3粒径实验

4.2.1实验方法

4.2.2实验结果

4.2.3分析讨论

4.3本章小结

第5章钢纤维及金属延性颗粒对材料性能影响

5.1钢纤维对材料性能的影响

5.1.1实验方法

5.1.2实验结果

5.1.3分析讨论

5.2会属粉末及金属间化合物对材料性能的影响

5.2.1实验方法

5.2.2实验结果

5.2.3分析讨论

5.3本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

附录攻读硕士期间发表论文