刚玉-莫来石复相陶瓷推板的研制与应用

摘要

刚玉-莫来石复相陶瓷既具有莫来石相熔点高、热膨胀系数低、抗蠕变、抗热震等优点，同时也具有刚玉相弹性高、耐磨、抗化学侵蚀、抗氧化等优点；而且莫来石与刚玉原料丰富、性价比高，被认为是当今最有发展前途的高温抗热震陶瓷材料。刚玉-莫来石复相陶瓷推板作为制备陶瓷器件用的辅助材料，有着广阔的应用前景。目前刚玉-莫来石质复相陶瓷的研究主要集中在常温条件下的宏观性能方面，不同研究者得到的性能差异较大、稳定性较差。国内产品的抗热震性和蠕变性能与国外产品相差无几，但使用寿命方面仍有一定的差距。因此有必要对影响刚玉-莫来石复相陶瓷推板性能的因素进行深入的系统研究，提高产品使用寿命和可靠性。 本文全面论述了刚玉-莫来石复相陶瓷的研究概况、发展趋势以及使用当中存在的问题，针对材料在使用过程中经常出现的失效现象，以抗热震性理论和蠕变机制为基础，综合分析失效产生的影响因素。在此基础上，利用热膨胀失配机制，以刚玉和莫来石为复合颗粒料，以氧化铝粉和无定型硅微粉为粉料，以硅铝凝胶为结合剂，在1600℃高温条件下烧成试样。从原料选择、组分配方、制备工艺、应用过程中损毁机理、显微结构各个方面都进行了深入的研究。 在原料方面，以板状刚玉和电熔莫来石为骨料，板状刚玉强度高，颗粒表面粗糙，可以在复相陶瓷当中起到网络骨架作用；电熔莫来石纯度高，晶粒发育良好，表面光滑，应预先进行表面粗化处理。采用的氧化铝粉和无定型硅微粉具有较高的反应活性，有利于高温下反应生成莫来石，提高结构网络紧密度。用硅铝凝胶作为结合剂能够增强颗粒与粉料之间的结合，而且能在不引入其他杂质的情况下生成莫来石。 在刚玉与莫来石的质量比为3/1的条件下，根据粒度组成计算公式和连续堆积理论，以正交试验为基础，确定不同大小颗粒之间的级配和不同组分的含量，得出最优的组分配方，制得样品的体积密度和气孔率分别为2.68g/cm3和14.97％。在制备工艺过程中，混料时颗粒料先与结合剂混合，然后再加入混合均匀的粉料，使粉料依靠结合剂充分包裹在颗粒表面，使颗粒相互之间产生了一定的缓冲作用，一方面有利于克服成型过程大颗粒的破碎，另一方面使颗粒之间的空隙有效的被粉料填充。经过24小时困料，在摩擦压机上成型，1600℃烧成后样品的抗Ⅰ折强度和耐压强度分别能达到11.3MPa和108.5MPa。提高烧结温度可使基质中颗粒结晶程度增大，并且产生晶粒长大过程。在满足使用强度的前提下，应尽可、能的减小推板的尺寸，以降低使用过程中由于温度差而产生的热应力，在推板中间开缝，可以降低热应力。 推板的实际使用过程中温度和应力是一直变化着的，是连续不断的循环过程。在常温条件下，断裂过程受裂纹扩展过程控制，推板强度随着加载速率的增加而增加。在高温条件下，蠕变过程会引起推板变形和裂纹产生，应力存在时会对裂纹的产生和扩展产生影响。用抗热震断裂因子对抗热震性能进行评价，第一热应力因子对衡量水冷抗折强度保持率比较合适，结合到具体的使用过程，可用抗热震损伤参数能对使用寿命进行衡量。结合实际使用过程的失效准则，一方面由于玻璃相的作用，在使用一段时间后推板在应力平行方向上产生收缩，在应力垂直方向上膨胀，另一方面颗粒在玻璃相及低熔物的包裹作用下产生滑移，变形使应力垂直方向上产生宏观裂纹。蠕变裂纹扩展到一定程度，在应力作用下裂纹扩展会加剧，使裂纹之间相互联通。 对刚玉-莫来石复相陶瓷的显微结构观察发现，颗粒被大量基质包围，而且两者结合紧密，表明对大颗粒进行细粉包裹修饰对提高强度十分有利。在常温下颗粒与基质紧密结合，发生的是穿晶断裂过程，在高温条件下颗粒与基质的结合产生弱化，发生的是延晶断裂过程。

目录

文摘

英文文摘

第1章引言

第2章文献综述

2.1研究现状及发展趋势

2.2陶瓷抗热震性概述

2.2.1抗热震性理论研究

2.2.2抗热震性影响因素

2.3材料蠕变特性概述

2.3.1蠕变理论曲线

2.3.2蠕变理论模型

2.3.3影响蠕变的因素

2.4刚玉—莫来石复相陶瓷

2.4.1刚玉发展概况与特性

2.4.2莫来石的发展概况与特性

2.4.3刚玉—莫来石复相陶瓷发展概况与特性

2.5立题依据与意义

参考文献

第3章原料选择及测试方法

3.1原料选择

3.2性能、物相和结构测试分析方法

3.3本章小结

参考文献

第4章原料配方及制备工艺研究

4.1原料配方

4.1.1刚玉与莫来石比例的确定

4.1.2颗粒级配的初步确定

4.1.3配方及组分的优化

4.2制备工艺研究

4.3本章小结

参考文献

第5章实际使用过程与损毁机理分析

5.1外部使用条件对推板的影响

5.2引起推板破坏的内部原因

5.2.1刚玉—莫来石复相陶瓷的常温静疲劳

5.2.2玻璃相对刚玉—莫来石复相陶瓷使用性能的影响

5.3蠕变微裂纹的形成及扩展

5.4刚玉—莫来石复相陶瓷抗热震性分析与评价

5.5使用寿命过程分析

5.5.1使用过程对断口形貌的影响

5.5.2使用失效过程

5.5.3裂纹扩展与材料使用寿命关系

5.5.4强度评价寿命方法

5.6本章小结

参考文献

第6章结论

致谢

附录 攻读硕士期间发表的论文