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《大连理工大学》 2007年
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爆炸压实烧结纳米陶瓷粉末研究

张越举  
【摘要】: 爆炸粉末烧结是利用炸药爆轰产生的能量,以激波的形式作用于金属或非金属粉末,使其在瞬态、高温和高压下发生烧结的一种材料加工或合成的新技术,实质上是多孔材料在激波绝热压缩下发生高温压实原理的应用,是爆炸加工领域的第三代研究对象。陶瓷粉末的爆炸压实研究,无论是在实验上还是在理论上,一直以来都是具有挑战性的工作。随着材料制备技术的发展,纳米级陶瓷粉末大量制备出来,而烧结纳米块体的技术却还在探索研究之中。爆炸压实作为特殊的粉末烧结工艺,在压实烧结粉末材料中具有广阔的应用前景。尽管前人在爆炸压实烧结陶瓷粉末方面进行了大量的理论和实验研究,但涉及纳米尺度的研究还很少。本论文的研究以纳米尺度的陶瓷粉末为主,主要做了以下工作: 1.从陶瓷材料的固有脆性特点出发,以弹性假设为前提,研究了爆炸冲击条件下纳米陶瓷粉末颗粒之间的摩擦传热行为。通过研究发现,纳米陶瓷粉末颗粒在爆炸压实的条件下,不可能发生由于摩擦导致焊接的烧结行为,从而为爆炸压实烧结纳米陶瓷粉末的理论进行了澄清。 2.陶瓷粉末颗粒尺寸无论多小,其脆性都是由其化学键的特性决定的。因此,纳米陶瓷粉末颗粒在爆炸压实的不平衡动高压条件下存在着破碎行为。借助弹性假设,在二维平面内,利用弹性力学知识对陶瓷颗粒间的作用力进行了研究,得到了陶瓷颗粒内存在两个最大剪应力及其对应位置。对比脆性破坏的三个判断标准,确定了陶瓷粉末颗粒在爆炸冲击状态下存在破碎的可能,并解释了随着冲击压力的提高,颗粒破碎后均匀程度也随之提高的现象。另外,在较低冲击压力条件下,由于两个最大剪应力中一个处在颗粒接触面以下0.5nm范围内,而晶界(界面)的厚度一般处在这一尺度内,由此解释了颗粒存在剪切塑性流动的可能。 3.在实验方面,针对ITO陶瓷材料特殊的物理化学特性,提出了冷爆炸压实+后续烧结的工艺,所谓冷爆炸压实,是为区别与预热爆炸压实而提出的,指爆炸压实前不对压实试件进行加热处理,试件在常温下进行的压实过程。通过调整爆炸参数和烧结工艺,获得了比较致密,晶粒在亚微米范围内的良好烧结体。预热爆炸烧结陶瓷粉末材料是解决压实烧结体中存在大量宏微观裂纹的有效途径。本文参考Prijmmer提出的预热爆炸压实烧结装置,改造了5kgTNT当量爆炸合成釜,用于预热爆炸压实的防护结构和支撑结构。在改造的装置中,设计了能够保护多次使用部件的试件导入结构。该结构能够使得预热试件准确落入炸药中间,且制造成本低廉,加工简单。为了远程操作,在预热爆炸压实装置上安装了信号系统,从而能够保证远程操作时确定试件已经落入炸药中间,并能保证及时引爆炸药。利用自制的预热爆炸压实装置,通过调整压实结构、预热温度和爆炸冲击压力获得了致密的ITO烧结体。烧结体的晶粒尺度在亚微米范围内。 4.对纳米γ-Al_2O_3和α-Al_2O_3粉末进行了预热爆炸压实的初步探索,获得了γ-Al_2O_3纳米陶瓷粉末得到良好爆炸压实烧结且转化为α-Al_2O_3晶型的实验参数。纳米α-Al_2O_3粉末的预热爆炸压实在预热温度达到0.5Tm附近、爆炸冲击压力达到18.4GPa时,能够得到致密压实,但在此爆炸冲击压力条件下,烧结体的晶粒对预热温度的敏感度较高。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TQ174

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1 张越举;爆炸压实烧结纳米陶瓷粉末研究[D];大连理工大学;2007年
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