增强相表面改性提高陶瓷基复合材料性能研究

摘要

通过对碳纤维、不锈钢纤维、铁粉的表面化学镀改性，再与莫来石等氧化物基陶瓷材料复合，成功地制备了表面改性第二相增强氧化物陶瓷基复合材料，使这些材料的强度和韧性有较大幅度的提高。采用扫描电镜分析(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、能谱分析、粒度分析、密度分析等技术和手段，系统地研究了表面改性第二相对基体的增韧补强技术。探讨了表面改性第二相对性能的影响规律和强韧化机理。 采用化学镀方法对碳纤维、不锈钢纤维和铁粉进行了表面改性处理。不锈钢纤维表面化学镀镍的最佳工艺为：镀液pH值为4.8，温度为86℃，镀速约为12μm/h。镀镍层表面光亮、完整、致密、耐蚀性好，与基体结合紧密。碳纤维表面化学镀镍时，镀速约为10μm/h，施镀时间为5～8min，镀层厚度为0.8～1.3μm。碳纤维表面化学镀铜时，镀速约为8μm/h，镀液很稳定。施镀时间为6～10min，镀层厚度为0.8μm～1.3μm。 碳纤维对莫来石、钛酸铝、镁铝尖晶石和堇青石陶瓷具有明显的增韧补强作用，对四种陶瓷增韧补强效果最有利的碳纤维体积含量分别为10％、5％～10％、5％和5％～15％。 铜镍复合镀碳纤维由于既能起到保护碳纤维的作用又能保证碳纤维、镀层、基体之间良好的界面特性，因此其增韧补强效果显著提高，四种陶瓷抗弯强度提高的幅度分别为2.3倍、3.3倍、2.2倍和3.5倍，前三种陶瓷断裂韧性提高的幅度分别为3.0倍、2.4倍、2.8倍。 研究发现，以氧化铝、锆英石、氟化铝等为主要原料，采用原位反应合成法可以制备自生莫来石晶须增强氧化铝基陶瓷材料。粉料粒度、烧结温度和密封对自生莫来石晶须有重要影响。只有在密封条件下，温度超过1400℃时才能自生出莫来石晶须，晶须呈圆针状，直径为0.2～1.0μm，长径比为8～30。自生莫来石晶须具有显著的增韧补强和提高抗热震性的作用，可使材料的抗弯强度提高约43％，断裂韧性提高约80％，临界热震温差提高约400℃。 不锈钢纤维及其表面化学镀镍均对不定形耐火材料有明显的强韧化效果，且使材料的线变化率减小，抗热震性提高。材料的抗弯强度、抗压强度和韧性分别提高3.5倍、1.1倍和51.5倍。强韧化机理一方面是在不锈钢纤维中形成弥散镍磷合金沉淀相强化了纤维；另一方面是材料断裂时不锈钢纤维可以通过塑性变形消耗外来能量，镍与Al2O3发生界面反应形成少量尖晶石相强化了界面结合，进一步促进了塑性变形能量消耗。 研究发现，用镀镍铁粉制造金属陶瓷材料具有较明显的强韧化效果，热处理可进一步强化。其抗弯强度、抗压强度和韧性可达19MPa、92MPa和2535J/m2。孔隙率为38％～40％，透气系数为6～8cm3/cm2.sec。镀镍铁粉通过生成新相，改变界面润湿性提高复合材料的强度和韧性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1陶瓷材料的特点及应用

1.1.1陶瓷材料的结构

1.1.2陶瓷材料的性能及应用

1.2第二相强韧化陶瓷基材料简介

1.2.1第二相颗粒强韧化

1.2.2纤维与晶须强韧化

1.2.3自生第二相强韧化

1.3增强第二相的表面改性

1.3.1颗粒第二相的表面改性

1.3.2碳纤维的表面改性

1.4本工作研究目的与内容

第二章增强第二相的表面改性

2.1引言

2.2实验方法及原理

2.2.1原材料的选择

2.2.2化学镀表面改性原理

2.2.3碳纤维的表面改性

2.2.4不锈钢纤维和铁粉的表面改性

2.2.5测试方法

2.3结果与讨论

2.3.1碳纤维表面改性的影响因素

2.3.2不锈钢纤维和铁粉表面改性的影响因素

2.4小结

第三章表面改性碳纤维增强莫来石陶瓷

3.1引言

3.2实验方法及原理

3.2.1原材料的选择及处理

3.2.2测试方法

3.3结果与讨论

3.3.1复合材料的线收缩率和孔隙率

3.3.2复合材料力学性能

3.3.3碳纤维表面镀镍对复合材料界面和性能的影响

3.3.4碳纤维表面镀铜对复合材料界面和性能的影响

3.3.5碳纤维表面铜镍复合镀对复合材料界面和性能的影响

3.3.6实际应用需注意的问题

3.4小结

第四章表面改性碳纤维增强堇青石陶瓷

4.1引言

4.2实验方法及原理

4.2.1原材料的选择及处理

4.2.2实验方法

4.3结果与讨论

4.3.1复合材料的线收缩率、密度和孔隙率

4.3.2碳纤维表面镀层对复合材料抗弯强度的影响

4.4小结

第五章表面改性碳纤维增强钛酸铝基陶瓷

5.1引言

5.2实验方法及原理

5.2.1原材料的选择及处理

5.2.2测试方法

5.3结果与讨论

5.3.1复合材料的线收缩率和孔隙率

5.3.2碳纤维表面的化学镀层对界面反应和力学性能的影响

5.4小结

第六章表面改性碳纤维增强镁铝尖晶石

6.1引言

6.2实验方法及原理

6.2.1实验原料

6.2.2碳纤维的预处理

6.2.3样品制备

6.3结果与讨论

6.3.1线收缩率和孔隙率

6.3.2碳纤维表面改性对复合材料力学性能的影响

6.4小结

第七章自生莫来石晶须增强氧化铝基陶瓷

7.1引言

7.2实验方法及原理

7.2.1原材料的选择

7.2.2样品制备

7.2.3测试方法

7.3结果与讨论

7.3.1原材料对自生长莫来石晶须的影响

7.3.2处理工艺对自生长莫来石晶须的影响

7.3.3自生长莫来石晶须强韧化效果

7.4小结

第八章化学镀不锈钢纤维增强高铝陶瓷

8.1引言

8.2实验方法及原理

8.3结果与讨论

8.3.1线收缩率

8.3.2强度和韧性

8.3.3抗热震性

8.3.4强韧化机理

8.4小结

第九章镍包铁增强氧化铝基陶瓷

9.1引言

9.2实验方法及原理

9.3结果与讨论

9.3.1强度和韧性

9.3.2孔隙率和透气系数

9.3.3强韧化机理

9.4小结

第十章结论

参考文献

致谢

作者从事科学研究和学习经历的简介

攻读博士学位期间撰写的论文