原位生长柱状晶复合增韧氧化铝陶瓷制备方法及机理研究

摘要

从陶瓷材料结构组成出发，针对影响晶粒形态的主要因素，通过显微结构的设计和制备新途径，促使增韧元在基体中原位生成。采用工业γ-Al2O3粉为主要原料，分别加入了玻璃粉Al2O3-CaO-SiO2(简称CAS)、Nb2O5、MgO和3Y-TZP粉做添加剂，通过无压烧结制备出了具有柱状晶的复合增韧Al2O3陶瓷材料，利用三点弯曲等力学方法以及TEM、SEM、XRD、EDAX等检测手段，系统研究了制备工艺、化学组成、显微结构与力学性能之间的关系，同时研究了添加剂CAS、Nb2O5、MgO、和3Y-TZP对Al2O3陶瓷柱状晶的影响规律，在此基础上探索了柱状晶生长机理及复合增韧机制。 通过原位生长工艺，采用CAS、Nb2O5、3Y-TZP作为多相复合添加剂，利用Nb2O5配合CAS，使陶瓷材料在烧结过程中促进了氧化铝晶粒异向生长的动力学条件，诱导了氧化铝晶粒在某些方向上优先生长成柱状晶，并建立了柱状晶生长模型。 研究证明了液相烧结时其驱动力来源于液相两边晶界曲率不同所造成的化学位的差异，液相的流动和扩散使晶粒与晶粒粘结并促进柱状晶生长。柱状晶生长过程中，晶界的移动包括如下途径： 1)气孔靠晶格扩散迁移； 2)气孔靠表面扩散迁移； 3)气孔靠物质的气相传递； 4)气孔聚合靠晶格扩散； 5)气孔聚合靠晶界扩散及杂质牵制的晶界移动等多项机理的同时作用。 研究结果表明：纯Al2O3陶瓷形成等轴晶，是因为烧结过程中交叉生长的晶粒不断长大，互相紧密接触，制约了晶体结构各向异性，阻碍了晶粒的异向生长。CAS、CAS/Nb2O5等添加剂的加入，消除了束缚异向生长阻力，增加了晶粒间活度，使其按着各向异性的方式自由长大，当生长动力足够时就会成长为柱状晶。研究发现，当CAS加入量为0.6wt％时，能够得到晶粒发育完全的柱状晶，长径比达到8:1，相对密度97.2％。 Nb2O5单独使用时，提高了材料的烧结性能，获得的组织主要为等轴晶，并有少量的板块状晶粒：Nb2O5配合CAS使用时，会有助于柱状晶的形成，长径比在8:1以上，材料的相对密度可达97.8％。烧结性能明显的优越于相同含量CAS粉单独作用的结果。MgO对溶质拖拽的作用，会影响柱状晶的生长发育，但有利于陶瓷烧结过程中的致密化。ZrO2在晶界溶质成分扩散过程中，组分相对独立存在，因而在空间位置上对柱状晶生长发育会有一定影响。 利用动力学原理，对烧结过程进行了研究，添加剂可以明显的降低Al2O3陶瓷烧结时扩散激活能，CAS/Nb2O5/3Y-TZP复合添加剂，比各自单独加入时效果更佳，CAS/Nb2O5与3Y-TZP配合使用时，相对减弱了第二相对Al2O3晶粒生长的干预，促进了Al2O3柱状晶的形成。 显微组织结构及裂纹扩展研究表明，原位生长柱状晶Al2O3陶瓷由于没有复合界面影响，所以增韧效果好于外加纤维的复合增韧。多相复合Al2O3陶瓷的增韧效果并不是多相简单的叠加，柱状晶在起到裂纹偏转、分叉增韧作用的同时，还延长了裂纹扩展路径，使马氏体相变量增加，强化了相变增韧。制备出的柱状晶多相复合增韧Al2L3陶瓷，最高抗弯强度为570MPa，断裂韧性为7.4MPa·m1/2。 从裂纹扩展过程分析可以看出，除第二相Nb2O5引起裂纹偏转外，ZrO2相变增韧和柱状晶引起的裂纹桥接和拔出、裂纹分叉等多种增韧机制之间相互协同作用，大幅度提高Al2O3陶瓷材料的力学性能，其效果大于各种增韧机理单独作用的总和。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.1.1课题研究的背景

1.1.2课题研究的目的和意义

1.2国内外研究现状分析

1.2.1氧化铝陶瓷增韧技术的研究现状

1.2.2柱状晶氧化铝陶瓷增韧技术的研究现状

1.2.3柱状晶增韧氧化铝陶瓷急待深入研究的问题

1.3本文的研究内容

第2章试验材料及研究方法

2.1原料的选择及制备

2.1.1氧化铝粉的选择与制备

2.1.2 CAS粉的选择与制备

2.1.3其它原料的选择与制备

2.2试验方案设计

2.2.1成分设计

2.2.2烧结工艺设计

2.2.3成型工艺

2.2.4试验工艺流程

2.3试样的制备方法

2.4显微结构的分析方法

2.5材料测试方法

2.6本章小结

第3章添加剂对试验材料组织及性能的影响

3.1烧结温度的确定

3.2添加剂对氧化铝陶瓷柱状晶组织及结构的影响

3.2.1纯氧化铝陶瓷的组织形态

3.2.2 CAS粉的影响

3.2.3 MgO的影响

3.2.4 3Y-TZP的影响

3.2.5 Nb2O5的影响

3.2.6 CAS/MgO复合添加剂的影响

3.2.7 CAS/Nb2O5复合添加剂的影响

3.2.8 CAS/Nb2O5/3Y-TZP复合添加剂的影响

3.3添加剂对材料性能的影响

3.3.1添加剂对相对密度的影响

3.3.2添加剂对抗弯强度的影响

3.3.3添加剂对断裂韧性的影响

3.4本章小结

第4章氧化铝陶瓷复合增韧机制

4.1柱状晶氧化铝陶瓷复合增韧机制

4.2氧化铝复合陶瓷裂纹扩展模型

4.3本章小结

第5章氧化铝复合陶瓷柱状晶生长机理

5.1添加剂对氧化铝陶瓷烧结动力学影响

5.2氧化铝陶瓷柱状晶生长机理

5.2.1氧化铝陶瓷液相烧结过程的传质分析

5.2.2柱状晶生长机理

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢