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《哈尔滨工程大学》 2017年
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层状结构复合ZrO_2陶瓷的制备及性能研究

郭亚琼  
【摘要】:本文以亚微米ZrO_2为陶瓷基体相,微米Al_2O_3为陶瓷增强相,无水乙醇为溶剂,邻苯二甲酸二丁酯DBP为增塑剂,聚乙烯醇缩丁醛PVB为粘结剂,采用非水基流延成型技术和ZrO_2叠层无压烧结的方法制备出层状结构复合ZrO_2陶瓷。首先研究了变量对ZrO_2以及ZrO_2-Al_2O_3复合后的流延浆料和流延薄膜生坯性能的影响,利用扫描电镜SEM观察流延薄膜生坯的表面形貌。然后分别对ZrO_2流延薄膜生坯和ZrO_2-Al_2O_3复合流延薄膜生坯进行热重分析,确定了最佳的排胶工艺曲线。进而以ZrO_2流延薄膜为基层,ZrO_2-Al_2O_3复合薄膜为夹层,通过叠层,冷压,排胶,无压烧结工艺制备出层状结构复合ZrO_2陶瓷,表征了层状结构复合ZrO_2陶瓷的相对密度,硬度,抗弯强度,断裂韧性等性能,利用扫描电镜SEM分析了层状结构复合ZrO_2陶瓷的层间结合情况及裂纹扩展路径,并对其增韧机理进行了深入探讨。研究结果表明:在乙醇溶剂100g中填加90g亚微米ZrO_2陶瓷粉体,以聚乙烯醇缩丁醛为粘合剂、邻苯二甲酸二丁酯为增缩剂,控制粘合剂与增缩剂的质量比R为0.6,制备的流延浆料粘度为7.5Pa.s,制备的ZrO_2陶瓷流延薄膜生坯体积密度3.43g/cm3,拉伸强度为9.8MPa,断裂伸长率为36.1%,性能最佳。以15wt%的Al_2O_3作为第二相替代ZrO_2,制备的ZrO_2-Al_2O_3复合陶瓷薄膜生坯的体积密度为2.88g/cm3,拉伸强度为8.41MPa,断裂伸长率为61.82%。利用SEM微观表面观察可以看出,在陶瓷流延薄膜中PVB均匀包覆在陶瓷粉体表面,且陶瓷粉体分布均匀。依据TG试验结果制定排胶工艺,对ZrO_2流延薄膜生坯和ZrO_2-Al_2O_3复合流延薄膜生坯排胶,通过对ZrO_2陶瓷烧结工艺的优化,在烧结温度为1500℃,烧结时间为120min下制备的陶瓷颗粒细小,分布均匀,颗粒之间紧密堆积,性能最佳,ZrO_2陶瓷的相对密度为98.03%,ZrO_2-Al_2O_3复合陶瓷的相对密度为98.95%。采用无压烧结工艺制备了 ZrO_2/ZrO_2-Al_2O_3流延薄膜叠层复合陶瓷,研究复相陶瓷中Al_2O_3含量的变化对陶瓷性能影响中发现,当夹层中异质相Al_2O_3含量为10wt%时,层状结构复合ZrO_2陶瓷的抗弯强度最佳,高达750MPa,此时层状结构复合ZrO_2陶瓷的硬度为12.75GPa,均高于单相ZrO_2陶瓷和Al_2O_3陶瓷;当夹层中Al_2O_3含量为15wt%时,层状结构复合ZrO_2陶瓷的断裂韧性达最大值,为16.57MPa.m1/2,且当夹层中Al_2O_3含量超过15wt%时,层状结构复合ZrO_2陶瓷的抗弯强度和断裂韧性都急剧下降。通过对ZrO_2/ZrO_2-Al_2O_3复合陶瓷强韧性分析发现,层状结构改变了裂纹扩展路径,对韧性改善有利,其机制在于存在强-强界面产生了残余应力,造成断裂能量的损耗,吸收和转移。另一方面在ZrO_2陶瓷中填加第二相Al_2O_3,可以起到颗粒弥散增韧的作用。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ174.1

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