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氧化铝基纳米复相陶瓷的制备与超塑变形

谢杰  
【摘要】: 纳米复相陶瓷具有优良的室温和高温力学性能,使其在切削刀具、轴承、高温发动机部件等诸多方面都有广泛的应用。Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4纳米复相陶瓷不仅具有高硬度、介电性能好、易烧结等优良特性还具有高韧性、超塑性等特点。本文研究了Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4纳米复合粉体的制备、烧结以及块体材料的超塑变形。 采用溶胶-凝胶法制备了Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4粉体,研究了制备过程中溶液初始浓度、PH值、煅烧温度、表面活性剂、醇水比、分散剂对粉体颗粒大小、分布、团聚状态的影响。最终所得Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4粉体的颗粒尺寸在20纳米左右,各相颗粒分散良好、粒径一致,无硬团聚。不同煅烧温度下纳米粉体的XRD以及热失重一差热(TG-DTA)分析显示:该粉体中主要含有Al_2O_3基体以及ZrO_2和MgAl_2O_4第二相颗粒,仅剩很少量的MgO没有发生反应。经1000℃煅烧后粉体处于稳定状态,生成了较高温度下的稳定相。 研究了Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4纳米复合粉体的热压烧结工艺。不同烧结温度下烧结体材料的相对密度和平均粒径的测量结果表明:其合适的烧结温度为1450-1500℃。扫描电镜观察发现,1450℃热压烧结的断口以沿晶和穿晶混合断裂为主,晶粒结合紧密,可以清楚地看到晶粒轮廓以及晶粒拔出后留下的类似“韧窝”形貌。热压烧结后测得Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4坯料的致密度为98.1%,表明通过热压烧结能使纳米复合粉体达到很高的致密度。 对Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4三元纳米复相陶瓷进行了超塑性压缩试验。结果表明:由于纳米复合粉体中的第二相在烧结和变形过程中有效地阻止了基体Al_2O_3的晶粒长大,在1500℃该材料表现出良好的超塑变形能力,压缩变形量可达60%,实现了陶瓷材料的超塑变形。对超塑变形前后材料的物相变化、元素分布以及微观组织和力学性能进行了对比分析。结果表明:超塑变形后纳米复相陶瓷的综合力学性能并没有太大的变化,硬度最高可达32GPa略低于变形前的35GPa。其断裂韧性为6.85 MPa·m~(1/2)稍低于变形前的6.96MPa·m~(1/2),同时其抗载能力有所增强。


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