氧化锆纤维对氧化铝陶瓷抗热震性能的影响

摘要

氧化铝是一种成本较低且用途广泛的陶瓷材料，但其脆性大，韧性和抗热震性差，大大限制了它的应用范围和使用寿命。氧化锆纤维是一种性能优良的特种无机纤维，耐高温、耐腐蚀、抗氧化、弹性模量大、强度高，且与氧化铝陶瓷具有良好的物理化学相容性和相近的热膨胀系数。因此本文将氧化锆纤维引入氧化铝陶瓷基体制备复合材料，在提高其抗弯强度和断裂韧性以及控制相对密度和气孔率的条件下，提高氧化铝陶瓷的抗热震性，从而扩大氧化铝陶瓷的应用范围，延长使用寿命，降低成本，减少资源浪费。
　　 选用氧化铝粉和氧化锆纤维为原料，以聚乙烯醇为粘结剂，经混合、干燥、造粒及干压成型后，采用传统的烧结技术，在1560℃、1590℃、1620℃和1650℃下烧结制得氧化锆纤维/氧化铝陶瓷复合材料，并进行性能测试，系统地研究了复合材料的抗热震性及相关机理。
　　 实验研究了烧结温度、纤维含量和长度对复合材料的气孔率、相对密度、抗弯强度、断裂韧性和抗热震性能的影响。结果表明，复合材料的抗弯强度、断裂韧性随纤维含量的增加先增大后减小，当烧结温度为1650℃、纤维含量为15wt％时，复合材料的抗弯强度和断裂韧性最高，分别为545MPa和3.57MPa.ml/2;而复合材料的气孔率则随着烧结温度的升高而降低，并逐渐趋于平缓，随着纤维含量的增加而升高；相对密度随着纤维含量的增加先降低后升高，纤维含量为15wt％时，复合材料的相对密度最小。
　　 探讨了不同混料时间对纤维含量为15wt％，烧结温度为1650℃的复合材料力学性能的影响规律，实验结果表明，复合材料的力学性能随混料时间的延长先增大后减小，当混料时间为3h时，试样的力学性能达到最佳，抗弯强度和断裂韧性分别提高62％和28％。
　　 利用水冷和空冷两种测试方法研究复合材料的抗热震性能。研究表明，水冷温差为200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，一次热震后不同纤维含量试样的剩余强度随热震温差的增大而降低，当纤维含量为20wt％、热震温差为600℃时，复合材料的剩余强度为34.58％。随着纤维含量的增加，试样的临界热震温差逐渐提高。当纤维含量为20wt％时，试样的抗热震性能最好，其临界热震温差为500℃左右，高于纯氧化铝陶瓷的200℃。空冷热震温差为1400℃时，试样空冷次数随纤维含量的增加先增大后减小，当纤维含量为15wt％时，试样的抗热震性能最好，热震循环30次后开始出现裂纹，比纯氧化铝陶瓷增加20次。坩埚的热震次数达到16次，而纯氧化铝坩埚只有3次。
　　 通过对复合材料抗热震性能的机理分析发现，氧化锆纤维的高弹性模量和高强度提高了复合材料的抗弯强度，裂纹的偏转，纤维的桥联、脱粘和拔出消耗了大量能量，提高了复合材料的抗热震性能。纤维的引入提高了复合材料的气孔率，热震产生的裂纹在遇到气孔时容易发生偏转、分叉或者钉扎，使得材料内部裂纹长度变短，数量增加，裂纹相互交错形成网状的程度增加，因此，试样断裂时所需要的断裂能增加，有效提高试样的抗热震性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 陶瓷的抗热震性能

1．1．1 陶瓷抗热震性能的评价理论

1．1．2 影晌陶瓷抗热震性能的因素

1．1．3 提高陶瓷抗热震性能的途径

1．1．4 陶瓷抗热震性能的测试方法

1．2 纤维和基体的复合原则

1．2．1 物理相容性

1．2．2 化学相容性

1．3 陶瓷抗热震性能的研究现状

1．4 课题的意义和主要研究内容

1．4．1 课题的意义

1．4．2 主要研究内容

第二章 实验原料、仪器及测试方法

2．1 实验原料

2．1．1 氧化铝粉

2．1．2 氧化锆纤维

2．1．3 粘结剂

2．2 实验设备

2．3 陶瓷性能测试方法

2．3．1 气孔率

2．3．1 相对密度

2．3．2 抗弯强度

2．3．3 断裂韧性

2．3．4 抗热震性

2．4 物相组成与微观结构

第三章 氧化锆纤维／氧化铝陶瓷复合材料的制备与性能

3．1 氧化锆纤维／氧化铝陶瓷复合材料的制备工艺

3．1．1 混料

3．1．2 烘干

3．1．3 造粒

3．1．4 成型

3．1．5 烧结

3．2 制备工艺对氧化锆纤维／氧化铝陶瓷复合材料性能的影响

3．2．1 对材料气孔率的影响

3．2．2 对材料相对密度的影响

3．2．3 对材料抗弯强度的影响

3．2．4 对材料断裂韧性的影响

3．3 纤维尺寸对材料性能的影响

3．4 复合材料的显微结构分析

3．5 小结

第四章 氧化锆纤维／氧化铝复合材料抗热震性能研究

4．1 材料的抗热震性分析

4．1．1 一次热震

4．1．2 多次热震

4．3 材料抗热震性提高的机理

4．3．1 材料强度提高的影响

4．3．2 材料韧性提高的影响

4．3．3 气孔率的影响

4．4 小结

第五章 结论与创新点

5．1 结论

5．2 创新点

参考文献

致谢

附录