收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

非晶晶化法制备SAZ系纳米复相陶瓷及其结构、性能研究

谭小平  
【摘要】: 莫来石作为其主晶相之一的SiO_2-Al_2O_3-ZrO_2(SAZ)系复相陶瓷具有很好的化学稳定性和高温强度,较高的抗蠕变性,较低的热膨胀系数和导热系数,是一种极具前景的高温结构材料。但是莫来石较低的本征韧性影响该材料广泛应用。ZrO_2颗粒的引入,有可能在保持其高温特性的同时,使其室温性能获得明显改善,从而进一步扩大其应用领域。本论文针对目前通过超微细粉致密化制备SAZ系陶瓷材料存在的诸如烧结温度高(一般高于1500℃),致密化难,增韧相种类有限且成本高等一些问题,寻求了一种新的制备方法-非晶原位受控晶化法,在较低温度1100~1200℃下制得均匀、致密、高可靠性的结构陶瓷材料-SAZ系纳米复相陶瓷。该方法能有效避免高温烧结以及烧结过程中纳米粉末的团聚和晶粒异常长大,实现显微结构的有效控制。通过借助DSC、XRD、SEM、TEM、EDS和IR等现代分析测试技术,较系统地研究了SAZ系非晶形成和析晶特点,显微结构特征,物相组成变化等。优化了组分配方和制备工艺,探索了析晶机理和晶体生长的规律,研究了成分-结构-工艺之间的内在规律性;通过表征材料的力学性能,研究了组成-结构-性能的关系,探讨了添加剂及其含量对非晶晶化法制备SAZ系纳米复相陶瓷结构和性能的影响。获得如下主要结论: 1、在SiO_2-Al_2O_3-ZrO_2系中,按照低共熔点附近的配方熔制非晶,虽然温度低,但非晶析晶倾向大,难以实现均匀大块非晶的制备;而富硅的莫来石区配方,于1650~1700℃下熔制,经快速冷却能获得完全透明的大块非晶。TiO_2的加入能有效降低非晶熔制温度和高温熔体的粘度,有利于SAZ非晶制备。Al_2O_3,ZrO_2含量对非晶制备有重大影响,它们的较佳取值范围分别为35~40 wt%和10~20 wt%。熔制温度越高,保温时间越长,得到的熔体越均匀;适当提高熔化温度,可相对缩短保温时间。冷却速度控制也是制得均匀非晶的关键技术。经过对组分的优化,添加剂的筛选,在低于1700℃下熔成均匀的SAZ系熔胶,经超快速强制冷却凝固得到完整的SAZ系大块透明非晶。 2、SAZ系非晶在析晶过程中主要存在两个反应:首先在930~1050~C温度区间内析出t-ZrO_2;然后在1100~1200℃温度区间内继续析出莫来石和方石英。在热处理过程中,非晶经历了分相、成核和析晶的演化过程。经900℃左右热处理后出现分相,形成了富Si区和富Zr区;920~950℃开始从非晶中析出t-ZrO_2;随着热处理温度升高,接着生成过渡尖晶石相;随后过渡尖晶石相与非晶SiO_2反应生成莫来石相,过剩的非晶SiO_2转化为方石英。该过程可概括如下: 3、通过SAZ系非晶的热分析并进行析晶动力学参数计算发现,该系非晶析晶活化能低,容易整体晶化。其中,典型配方TZ2非晶的t-ZrO_2析晶活化能在518~538 kJ·mol~(-1)之间,莫来石的析晶活化能在522~545 kJ·mol~(-1)之间;典型配方Z1非晶的t-ZrO_2析晶活化能在556~578 kJ·mol~(-1)之间,莫来石析出活化能在497~522 kJ·mol~(*1)之间。 4、通过研究晶核剂种类、含量对SAZ系非晶析晶过程的影响发现,TiO_2、ZrO_2两种晶核剂对促进SAZ系非晶成核和降低其晶化温度都是有效的,但是所起的作用不同。TiO_2的加入主要是有利于t-ZrO_2的析出,对莫来石析出影响不大;ZrO_2的加入对t-ZrO_2和莫来石的析出均有利。当TiO_2/ZrO_2≥1/2时,随着TiO_2含量的增加,在相同的热处理工艺条件下,容易导致堇青石、钛酸锆等不利杂相的出现;当TiO_2/ZrO_2≤1/2时,随着ZrO_2含量的增加,在相同的热处理条件下,不容易导致堇青石、钛酸锆等不利杂相的出现:当只有单一晶核剂ZrO_2存在时,随着ZrO_2含量的增加,在相同的热处理条件下,容易导致堇青石等不利杂相的出现。采用复合晶核剂(TiO_2和ZrO_2)能有效改善SAZ系非晶的晶化行为。 5、热处理工艺对Z系、T系和TZ系纳米复相陶瓷的性能和结构影响很大。核化温度、核化时间、晶化温度以及晶化时间等参数对材料性能的影响并不是单一不相关的,而是存在一个合理的搭配。本文采用DSC方法和性能指标测定确定了Z1和TZ1配方非晶最佳热处理工艺。其中Zl配方最佳的核化工艺是:核化温度T_N=950℃,核化时间t_n=2.0 h。在此核化工艺下,Z1配方样品经1150℃保温2.0 h后获得最佳力学性能:抗弯强度和断裂韧性分别为520MPa,5.13 MPa·m~(1/2)。TZ1配方样品的最佳热处理工艺为:核化温度920℃,核化时间2.0 h,晶化温度1150℃,晶化时间4.0 h,其最佳断裂韧性为7.48 MPa·m~(1/2)。经过对热处理工艺的优化,材料的力学性能明显提高,尤其是材料的室温断裂韧性。材料性能提高归功于材料结构改善。其中,核化温度和晶化温度对材料显微结构中晶粒大小、形状的影响较核化时间和晶化时间更为显著。核化温度过低或过高,均降低成核效果,导致晶粒粗化。SAZ系非晶在920~950℃预处理(核化),再在1100~1150℃热处理(晶化),颗粒呈球形状,大小均匀,分布致密,尺寸大约在20~50 nm,是一种较理想的纳米显微结构;晶化温度升高(≥1300℃),晶粒迅速长大,由原来的球似状变成条块状(大部分)晶体,少数条块状晶体的长径达微米级是一种较理想的微米显微结构。另外,晶化温度直接影响材料的物相组成和体积密度。温度越高,t-ZrO_2含量减少,m=ZrO_2含量增多,体积密度下降。两步热处理工艺的制定及优化,是控制材料显微结构的关键,也是本论文的关键技术之一。 6、TiO_2、ZrO_2含量对Z系、T系和TZ系复相陶瓷性能的影响也很大,随着ZiO_2含量的增加,T系材料的显微硬度先增加后减小,而断裂韧性呈现下降趋势。随着ZrO_2含量的增加,TZ系材料的显微硬度出现两种变化:当晶化温度低于1200℃时,其随着ZrO_2含量的增加略有增大,当晶化温度高于1200℃时,反而略有下降。但其断裂韧性随着ZrO_2含量的增加而增加。比较Z1和TZ1配方试样的最佳力学性能发现,复合晶核剂能进一步提高该系材料的断裂韧性。其中TiO_2最佳含量为5、wt%,材料的断裂韧性为7.48 MPa·m~(1/2)。7、Y_2O_3、La_2O_3掺杂对SAZ系非晶的形成、析晶以及材料相结构、显微结构及力学性能等的影响规律表现为,适量Y_2O_3和La_2O_3的加入降低了非晶的熔制温度,抑制了冷却过程中的失透现象,有利于非晶形成,而且不影响主晶相的析出。Y_2O_3主要固溶于ZrO_2中,稳定t-ZrO_2。试样的断裂韧性和抗弯强度随着Y_2O_3添加量增加,先近线性增大,随之趋向稳定,而后又迅速减小。当Y_2O_3添加量为1.0 wt%时,获得了较好的综合力学性能,断裂韧性和抗弯强度分别为4.5 MPa·m~(1/2)和460MPa。其强韧化机制主要为t-ZrO_2相变增韧。La_2O_3主要存在于玻璃相中,强化晶界。试样的断裂韧性和抗弯强度随着La_2O_3添加量增加,先增大后减小。当La_2O_3添加量为0.6 wt%时,断裂韧性最大4.74 MPa·m~(1/2);当La_2O_3添加量为1.2 wt%时,抗弯强度最大514 MPa。其强韧化机制主要为大颗粒桥联和晶界强化。La,Y复合掺杂更有利于提高SAZ系纳米复相陶瓷的综合力学性能,尤其是材料的抗弯强度。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;我国纳米复相陶瓷制备研究达到国际水平[J];江苏陶瓷;2004年02期
2 晏建武,周继承,张志华,鲁世强,袁永瑞;烧结温度对Al_2O_3/SiC(n)纳米复相陶瓷性能的影响[J];工具技术;2004年06期
3 潘雄;;高性能纳米复相陶瓷日前在上海研制成功[J];功能材料信息;2004年03期
4 张永胜;陈建敏;胡丽天;;纳米复相陶瓷及其摩擦学研究进展[J];摩擦学学报;2006年03期
5 张明;赵波;焦锋;李瑜;;纳米复相陶瓷超声抛光参数的研究[J];新技术新工艺;2008年06期
6 郭秀荣;陆怀民;杜丹丰;郭秀丽;;基于ANSYS的纳米复相陶瓷木工刀具虚拟优化设计[J];制造技术与机床;2008年10期
7 宋京红;郝春云;杨海涛;;放电等离子烧结Si_3N_4/Al_2O_3纳米复相陶瓷的增韧机理(英文)[J];硅酸盐学报;2007年07期
8 张立丽;赵波;卞平艳;;纳米复相陶瓷超声振动平面磨削温度的试验研究[J];金刚石与磨料磨具工程;2007年03期
9 张明;赵波;焦锋;李瑜;;纳米复相陶瓷平板的超声抛光工艺参数研究[J];现代制造工程;2008年05期
10 李永利;张久兴;乔冠军;金志浩;;高性能可加工3Y-TZP/BN纳米复相陶瓷的制备[J];材料工程;2006年S1期
11 喇培清;张秀萍;卢学峰;;纳米复相陶瓷制备技术的研究现状[J];材料导报;2009年07期
12 张冬梅;卢杉;;基于虚拟仪器的超声磨削振动特性实验研究[J];工具技术;2009年12期
13 邵刚勤,段兴龙,袁润章;纳米陶瓷、复相陶瓷及纳米复相陶瓷[J];材料科学与工艺;2003年02期
14 张成茂;张明;;电火花线切割加工Si_3N_4/TiN纳米复相陶瓷工艺规律的实验研究[J];电加工与模具;2007年05期
15 颜鲁婷,司文捷,苗赫濯;Al_2O_3/SiC纳米复相陶瓷材料的研究进展[J];材料科学与工艺;2005年04期
16 童景琳;赵波;刘传绍;焦锋;高国富;;二维超声振动磨削纳米复相陶瓷的表面粗糙度研究[J];金刚石与磨料磨具工程;2006年05期
17 陈国清;谢杰;王旭东;董红刚;侯晓多;;Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4三元纳米复相陶瓷的微观组织和力学性能[J];航空材料学报;2008年05期
18 于金伟;;提高纳米复合陶瓷刀具材料力学性能的方法[J];机床与液压;2009年10期
19 马辉;赵波;谢萍;;纳米复相陶瓷超声磨削频率与表面质量关系的实验研究[J];上海交通大学学报;2010年12期
20 李建华;;柠檬酸盐聚合物前驱体法制备锆钛酸铅纳米复相陶瓷研究[J];功能材料;2011年S2期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 李永生;马勤;张永胜;任娟红;邵大卫;;Al_2O_3/ZrO_2(3Y)纳米复相陶瓷的研究[A];第八届全国工业炉学术年会论文集[C];2011年
2 李瑞霞;李永利;张久兴;;SPS快速烧结制备3Y-TZP/BN纳米复相陶瓷[A];第十届全国青年材料科学技术研讨会论文集(C辑)[C];2005年
3 徐晓虹;焦国豪;吴建锋;赵芳;方斌正;;用于太阳能热发电的Al_2O_3/ZrO_2(Y_2O_3)纳米复相陶瓷的制备及性能研究[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年
4 ;口头报告 十四、纳米材料科学与技术[A];第十四届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2006年
5 杨静漪;蔺玉胜;张巨先;;Y_2O_3作助烧剂的Al_2O_3/SiC_p陶瓷断裂行为的SEM研究[A];第十一次全国电子显微学会议论文集[C];2000年
6 ;论文展示 六、陶瓷基复合材料[A];第十四届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2006年
7 史忠旗;金志浩;乔冠军;;可加工陶瓷的弱界面结构与性能优化研究进展[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文集(二)[C];2007年
8 盘毅;谢凯;陈一民;许静;;H_2和Ar气对裂解有机硅氨烷制备Si/C/N纳米微粉的影响[A];第三届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1998年
9 张珏;王卫民;;超高温刚玉莫来石复相陶瓷窑具的研制与应用[A];电子信息产业(2010年度)工业炉窑技术改造与材料节能研讨会会议资料[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 马辉;基于非局部理论的ZTA纳米复相陶瓷超声加工延性高效本质特征研究[D];上海交通大学;2011年
2 艾云龙;基于SiC/ZrO_2协同作用的MoSi_2改性技术研究[D];南京航空航天大学;2008年
3 闫艳燕;纳米复相陶瓷二维超声振动辅助磨削机理及其表面质量研究[D];上海交通大学;2008年
4 黄红燕;牙科纳米氧化锆氧化铝(Al_2O_3/ZrO_2)复合陶瓷的基础研究[D];中国医科大学;2009年
5 李建华;前驱体法制备PZT/ZrO_2纳米复相陶瓷性能研究[D];天津大学;2009年
6 卞平艳;超声激励纳米复相陶瓷非局部本构关系及延性域磨削机理研究[D];河南理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 贾振锋;工程陶瓷材料超声作用下的体积效应研究[D];河南理工大学;2011年
2 王海涛;纳米复相陶瓷电火花线切割加工表面性质的研究[D];青岛科技大学;2009年
3 谢杰;氧化铝基纳米复相陶瓷的制备与超塑变形[D];大连理工大学;2007年
4 张成茂;纳米复相陶瓷电火花线切割加工特性研究[D];青岛科技大学;2007年
5 辛春雨;AIN/AIN Mo纳米陶瓷的研究[D];吉林大学;2007年
6 刘祎冉;ZrO_2(3Y)-CaO-SiO_2-TiO_2纳米复相陶瓷的制备[D];河南科技大学;2008年
7 赵衍辉;AIN/BN复相纳米陶瓷的研究[D];吉林大学;2007年
8 李柏茹;Al_2O_3-ZrO_2纳米复相陶瓷超塑变形微观组织分析[D];哈尔滨工业大学;2007年
9 张秀萍;Fe_3Al/Al_2O_3纳米复相陶瓷材料制备及其性能研究[D];兰州理工大学;2009年
10 谢萍;基于非局部理论的纳米复相陶瓷材料超声磨削机理研究[D];河南理工大学;2010年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978