稀土掺杂对氧化铝相变及力学性能的影响

摘要

稀土掺杂能够有效改善亚稳态氧化铝的热稳定性，但稳定机理尚存在争议，基于此，本文分别研究了稀土La和Ce掺杂对γ-Al2O3热稳定性的影响，通过分析相变过程中各中间相的形成温度及存在的温度区间，对稳定机理进行了探讨；同时研究了Nd掺杂对氧化铝力学性能的影响。 La、Ce掺杂γ-Al2O3样品的烧结曲线研究发现，稀土La、Ce掺杂样品的相变结束温度均高于未掺杂样品，其中La掺杂将此温度提高了近100℃，这是由于稀土离子半径大于铝离子，烧结过程中主要偏聚于氧化铝晶界处，从而抑制了基体离子的迁移。比较La、Ce掺杂样品的相变结束温度发现，相同掺杂浓度条件下，La掺杂更有利于提高γ-Al2O3的热稳定性，这是由于La3+半径大于Ce4+，其在晶界处的偏聚浓度高于Ce4+，对相变过程中物质迁移的抑制作用更明显，同时由于Ce4+价态与Al3+不一致，在基体中引起的缺陷浓度高，一定程度上有利于物质的迁移。 X射线衍射和红外表征表明，La、Ce掺杂γ-Al2O3样品相变过程中，氧化铝各中间相的出现温度均被推迟，相变区间得到展宽，这是由于钙钛矿型结构化合物LaAlO3(900-950℃出现)和CeAlO3(1100-1170℃出现)对基体中铝离子的迁移产生了抑制作用，从而使γ-Al2O3的热稳定性提高，同时可以看出，LaAlO3的形成温度低于CeAlO3，因此La掺杂对γ-Al2O3热稳定性的提高效果更为明显。 稀土Nd掺杂γ-和α-Al2O3样品烧结行为研究发现，Nd掺杂促进了稳态氧化铝的致密化，而抑制了γ-Al2O3的烧结；力学性能研究表明，Nd掺杂提高了稳态氧化铝样品的抗弯强度、断裂韧性和显微硬度，而对γ-Al2O3影响不明显，相同条件下以稳态氧化铝为起始粉料样品的力学性能均优于γ-Al2O3;显微结构观察发现掺杂阻碍了氧化铝烧结过程中的颗粒粗化，样品均以沿晶断裂模式为主；Nd掺杂稳态氧化铝样品的透射电镜研究表明，烧结过程中形成的富Nd区主要分布于基体颗粒的交接处。

目录

文摘

英文文摘

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引言

第一章文献综述

1.1氧化铝陶瓷概述

1.1.1氧化铝的晶型

1.1.2 A12O3常见晶型的应用

1.1.3氧化铝的相变

1.1.4致密化氧化铝陶瓷的获得

1.2稀土性质及应用概述

1.3陶瓷材料表征方法

1.3.1 X射线衍射分析(XRD)

1.3.2红外吸收光谱分析(FT-IR)

1.3.3扫描电子显徼镜(SEM)

1.3.4透射电子显微镜(TEM)

1.4陶瓷材料力学性能及测试方法

1.4.1断裂韧性

1.4.2硬度及其表征

1.4.3强度及其表征

1.5本论文研究意义和主要研究内容

第二章La2O3、CeO2掺杂对纳米级γ-A12O3烧结行为的影响

2.1实验目的与实验方案设计

2.2实验

2.2.1实验原料

2.2.2实验仪器

2.2.3实验步骤

2.3实验结果分析与讨论

2.3.1原始氧化铝粉体表征

2.3.2 La2O3掺杂对样品烧结行为的影响

2.3.3 CeO2掺杂对样品烧结行为的影响

2.3.4掺杂稀土离子不同对氧化铝收缩率的影响

2.3.5样品SEM表征

2.3.6烧结样品XRD表征

2.3.7烧结样品密度表征

2.4本章小结

第三章稀土掺杂对γ-A12O3相变过程的影响

3.1实验目的和方案设计

3.2实验

3.2.1实验原料

3.2.2实验仪器

3.2.3实验过程

3.3实验结果与讨论

3.3.1纯氧化铝样品相变过程物相分析

3.3.2La2O3掺杂样品的相变过程物相变化

3.3.3 CeO2掺杂样品相变过程中物相变化

3.4小结

第四章Nd2O3掺杂对氧化铝力学性能的影响

4.1实验目的与实验方案设计

4.2实验

4.2.1实验原料

4.2.2实验仪器

4.2.3实验步骤

4.3实验结果分析与讨论

4.3.1样品抗弯强度表征

4.3.2样品断裂韧性表征

4.3.3样品显微硬度表征

4.3.4烧结样品XRD表征

4.3.4样品SEM表征

4.3.5样品TEM表征

4.3.6样品密度和气孔率的测定

4.4小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢