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《哈尔滨工业大学》 2012年
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Al_2O_3-ZrO_2共晶陶瓷的爆炸合成及快速凝固

张霄楠  
【摘要】:共晶陶瓷作为一种陶瓷基复合材料,在微米和纳米级尺寸上具有独特的微观结构。目前,有关共晶陶瓷的研究主要集中在Al_2O_3-ZrO_2共晶体系上,因为其具有一系列优异的热力学、物理和机械性能,例如超高的硬度、优秀的抗氧化性以及高温下的强度保留。本论文利用高温爆炸喷涂法制备Al_2O_3-ZrO_2共晶陶瓷涂层。通过Al和Zr(NO_3)_4之间的铝热反应放热,将反应体系当中的Al_2O_3和ZrO_2加热至熔点以上,在铜板上进行快速冷却然后凝固结晶。同时,本文还利用XRD、SEM等检测方法对爆炸合成反应产物进行了物相分析和微观形貌的观察。 通过热力学计算,得到了Al-Zr(NO_3)_4-Al_2O_3-ZrO_2和Al-Zr(NO_3)_4-ZrB_2-SiC体系分别在高压爆炸喷涂和低压燃烧合成实验中,绝热温度、反应压力以及反应剂含量之间的关系。借助了亥姆霍兹函数这一概念,并通过亥姆霍兹自由能的计算,分析了体系中反应产物的稳定性,发现反应产物中的碳化物和氮化物稳定性受到温度和压力的影响。通过对Al-Zr(NO_3)_4-Al_2O_3-ZrO_2体系不同实验条件反应产物的XRD分析,我们发现ZrN、Al3Zr等反应产物的稳定性变化规律与热力学分析结果相符,说明我们的热力学分析方法是可行的。 通过SEM观察,得到了其微观组织的演变规律:随着反应剂含量的升高,体系中物质熔化的越充分,共晶组织的含量越高,当反应剂含量达到60%以上时,基本上得到100%的共晶组织材料;在平衡凝固条件下,当体系中的两相偏离共晶比例时,会先从熔体中析出Al_2O_3或ZrO_2初晶,并以枝晶方式生长,当体系再度达到共晶比例时,开始析出共晶相,且无论是过共晶体系还是亚共晶体系,生成的Al_2O_3-ZrO_2共晶相都基本符合Al_2O_3-ZrO_2二元体系的标准共晶比例;快速凝固条件下,由于冷却温度不同导致薄膜材料的分层,每一层表现出不同的微观形貌和力学性能。 将稀释剂改为ZrB_2、SiC,利用高温爆炸合成法制备Al_2O_3/ZrO_2/ZrB_2/SiC陶瓷。同时利用XRD、SEM等检测方法对反应产物进行了物相分析和微观形貌的观察。得到了其微观组织的演变规律:在温度较低时,体系中生成了Al_2O_3-ZrO_2棒状共晶组织,直径大约200nm-300nm;温度提高时,体系中得到了ZrB_2-SiC不规则共晶组织,共晶组织中ZrB_2和SiC的质量比大约为1.5:1;在快速凝固的薄膜材料中,没有发现共晶组织和分层现象。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB332

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【参考文献】
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