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Al_2TiO_5/Al_2O_3系复相陶瓷及其梯度材料的设计与制备

方青  
【摘要】: 钛酸铝由于具有接近于零的热膨胀系数、低的导热系数、高熔点、耐腐蚀和抗热冲击性能好等特点,是目前低膨胀材料中耐高温性能最好的一种之一。但是该材料本身存在的两大致命的缺点,在很大程度上限制了它的广泛应用:(1)、钛酸铝难以烧结,烧结体的致密度低,因而强度不高;(2)、在750℃~1300℃的温度范围内易分解成氧化铝和二氧化钛,造成材料内部应力集中,并使材料的热膨胀率升高。本文在充分分析本领域国内外研究现状的基础上,首先通过引入添加剂钛酸镁(M2T),使其与钛酸铝形成固溶体,以达到抑制钛酸铝中温分解的目的;再通过与强度高、气密性好的氧化铝进行梯度复合来提高整体材料的强度并能弥补钛酸铝渗透性能差,同时对材料的低热膨胀性能影响不大。 实验研究表明,添加剂钛酸镁的适量引入不但可以有效地抑制钛酸铝的分解,而且能够促进钛酸铝的烧结,提高钛酸铝的致密度。当钛酸镁的含量为5mol%时,钛酸铝在1100℃保温10小时,其分解量要小于9%;而且在1500℃烧结得到的烧结体致密度比没有引入添加剂高近10个百分点。同时引入适量钛酸镁,钛酸铝烧结体的热膨胀系数仍然很低,钛酸镁的含量为10mol%时其热膨胀系数为-0.45×10~(-6)/℃。通过对钛酸铝与氧化铝的烧结研究,进一步确定了钛酸铝/氧化铝梯度复合材料的烧结工艺制度。在此基础上,采用有限元方法对钛酸铝/氧化铝梯度材料进行了热应力缓和与结构设计。计算结果表明,通过梯度复合可以有效地缓和梯度材料制备过程中所产生的残余热应力,当梯度材料分布指数P值为1.2时,热应力缓和的作用最显著,缓和效果达60%。最后根据以上制备工艺制度与最佳结构设计结果,采用铺层法成功地制备出了钛酸铝/氧化铝梯度材料,经电子探针检测表明其成分沿厚度方向是梯度变化的。


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