AlO/CrC多元复合陶瓷材料的制备、性能及应用研究

摘要

氧化铝陶瓷具有高硬度、耐磨损、耐高温、抗腐蚀、低密度、原料分布广泛等优点，但韧性较差，寻求合适的方法提高氧化铝陶瓷的强韧性，具有重要的理论意义和应用价值。本文利用Cr<,3>C<,2>分别与(W,Ti)C、SiC、Ti(C,N)等多相复合协同强韧化A1<,2>O<,3>陶瓷，成功制备了3种具有优良综合力学性能的新型A1<,2>O<,3>复合陶瓷材料。系统研究了新型Al<,2>O<,3>复合陶瓷材料的热压烧结工艺、力学性能、微观结构、强韧化机理、耐磨抗蚀、抗热震性能，并进行了初步应用。 根据颗粒弥散强韧化机理，基于残余应力场增韧和细晶强韧化，设计了Cr<,3>C<,2>分别与(W,Ti)C、SiC、Ti(C,N)等多相复合协同强韧化Al<,2>O<,3>陶瓷材料系统。 为精确测试陶瓷试样的密度，在Archimedes排水法的基础上，设计了精确快捷测量体积与密度的新方法，制作了相应的测试装置。 成功研制了3种复合陶瓷材料ACW、ACT和ACS，它们的平均抗弯强度、断裂韧性和Vickers硬度分别为562MPa、9.35MPa·m<'1/2>和18.77GPa，715MPa、8.58MPa·m<'1/2>和20.9GPa，515MPa、8.221MPa·m<'1/2>和18.19GPa。利用SEM、TEM、EDAX、SAD等对3种复合陶瓷材料的微观结构研究表明，只有在合适的热压工艺和组分条件下才能获得良好的微观组织结构。3种材料微观结构中均发现了大量的位错、内晶型纳米粒子，和一些应力条纹，它们对于材料的强韧化作出贡献。添加相粒子对于基体晶粒的生长起到抑制作用，利于晶粒细化。材料断裂方式表现出沿晶和穿晶的混合模式，断口凹凸不平，偶见有长柱状晶粒和晶粒拔出现象。表面压痕裂纹的偏转和桥联，是复合材料强韧性提高的表现。 ACW复合陶瓷材料主要强韧化机制有残余应力场增韧、裂纹偏转与裂纹桥联增韧、内晶型结构强韧化、细晶强韧化。 分析了内晶型结构对晶界的作用，认为，如果内晶型结构本身晶粒较小，处在一主晶界两界面之间，而其整体又处于压应力状态的话，则对该主晶界起到推开的作用；如处于拉应力状态则对主晶界产生闭合作用。如果内晶型结构晶粒较大，自身较少的部分界面处在一主晶界上，而其整体又处于压应力状态，则挤压该主晶界起到闭合强化的作用；如处于拉应力状态则弱化主晶界。 Al<,2>O<,3>复合陶瓷材料与YG8硬质合金干摩擦时的摩擦系数、磨损率均明显低于单相Al<,2>O<,3>陶瓷。其中，103[＃]、203[＃]、303[＃]材料的摩擦系数和磨损率比单相Al<,2>O<,3>陶瓷降低了一半左右。Al<,2>O<,3>复合陶瓷材料的磨损率随法向荷载、磨损时间的增加均减小，且变化趋向平缓。国家自然基金(N0.50405047)和山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(N0.2000-49)资助项目。基于Evans经典磨损理论，考虑强度因素的影响，本文首次定义材料的综合力学性能为H(H，K，σ)=H<'-0.5>K<,IC><'-0.75>σ<'X>，来评价陶瓷复合材料的耐磨损性能。对于所研制的A1<,2>O<'3>复合陶瓷材料耐磨损性能测试结果表明，其耐磨损性能不仅随硬度、韧性的提高而增强，还与强度的0.75次幂成正比。 A1<,2>2O<,3>复合陶瓷材料在常见酸、碱介质中均表现出优异的耐腐蚀性能。 第二相Cr<,3>C<,2>和(W,Ti)C粒子的添加，使得203[＃]复合陶瓷材料的临界热震温差ΔT。提高到250K左右。203[＃]复合陶瓷材料和单相A1<,2>O<,3>陶瓷的断裂功分别为189．4J·m<'-2>、38.6J·m<'-2>。，证明复合材料抗热震性能的改善是通过大幅提高断裂功实现的。 应用ACW复合陶瓷材料热压烧结制备了喷砂嘴，喷砂实验表明，材料耐冲蚀磨损性能良好。 利用有限元软件Deform－2D模拟了挤压凹模的工作状况，对其应力情况进行分析，采取预紧组合陶瓷凹模结构，使陶瓷尽量避开拉应力的作用，并模拟了预紧组合凹模结构合适的过盈量，为实际应用提供技术依据。应用所研制的A1<,2>O<,3>复合陶瓷材料成功地热压烧结制备了陶瓷挤压凹模。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

第2章Al2O3复合陶瓷材料的设计、制备与性能测试

第3章Al2O3复合陶瓷材料物理力学性能及微观结构

第4章Al2O3复合陶瓷材料的强韧化机理研究

第5章Al2O3复合陶瓷材料耐磨损及耐腐蚀性能研究

第6章Al2O3复合陶瓷材料抗热震性能研究

第7章Al2O3复合陶瓷材料应用基础研究

第8章结论

攻读博士学位期间取得的相关研究成果

谢辞