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《青岛大学》 2008年
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纳米和亚微米氧化钛陶瓷烧结曲线及烧结机理研究

李达  
【摘要】: 目前,对纳米TiO_2的研究,大多集中于其功能性研究,如光催化性能、介电性能、导电性、光电转换特性、气敏、湿敏以及一些新的独特的光学性质,然而纳米氧化钛陶瓷作为结构陶瓷,具有良好的低温超塑性等力学性能,利用超塑性对纳米陶瓷进行形变加工,将会在陶瓷工业中发挥很大的作用。为了得到高致密化的纳米TiO_2陶瓷,研究其烧结理论和烧结机理,具有重要的理论价值和工程意义。 本论文以纳米和亚微米锐钛矿和金红石TiO_2为原料,采用高温热膨胀仪、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜和差示扫描量热仪等分析测试手段,对恒速升温无压烧结条件下的热膨胀行为、烧结致密化过程、显微结构的变化及烧结机理进行研究,并对二步烧结法制备亚微米氧化钛陶瓷的工艺过程进行研究。 对比研究了纳米锐钛矿和纳米金红石、亚微米锐钛矿和纳米锐钛矿的烧结曲线、烧结行为以及显微结构的变化过程,重点研究相结构和粒径对烧结行为的影响。结果发现:亚微米锐钛矿烧结中期起始温度明显高于纳米级锐钛矿;锐钛矿在烧结过程中的相变降低了其收缩起始的温度(450℃),最大致密化速率出现的温度(880℃),而纳米金红石的收缩起始温度和最大致密化速率出现的温度分别为750℃和920℃。锐钛矿氧化钛的烧结起始温度,致密化速率,均与粉料粒径有关,粉料越细,越容易烧结。 根据全期烧结模型,设计实验,建立TiO_2主烧结曲线。纳米TiO_2主烧结曲线对烧结路径不敏感,烧结体的相对密度仅是时间和温度的函数,利用主烧结曲线得到的相对密度和Archimedes法实测的密度吻合,证明了主烧结曲线的有效性:主烧结曲线提供了一种计算烧结激活能的新方法,根据纳米金红石的主烧结曲线,得到其在空气中的烧结激活能为105 KJ/mol。根据主烧结曲线,可以准确预测陶瓷烧结全过程的致密化行为,预测烧结体的收缩量和最终相对密度。 利用高温热膨胀仪以不同的升温速率进行无压烧结,研究了纳米和亚微米氧化钛的烧结激活能。研究结果表明:随烧结温度的增加,比表面积的增加加速了致密化速率;对于纳米氧化钛,当烧结体的瞬时相对密度为70%-80%时,出现最大致密化速率,而对于亚微米氧化钛陶瓷,最大致密化速率出现在相对密度为75%-85%;纳米和亚微米氧化钛的烧结激活能分别为115±10 KJ/mol和302±15 KJ/mol,纳米氧化钛的初期烧结以界面反应为主导机制,而亚微米氧化钛的初期烧结以边界扩散为主导机制。 在整个烧结过程中,在最大烧结致密化速率阶段,吸收的热量没有突然增加,比热容基本上是一个常数。比热容随温度变化的关系曲线可以拟合成直线方程,Cp=-0.7+8.79×10~(-4) J/(gK),R=0.89。热分析的结果表明,样品在烧结过程中致密化引起的显微结构的有序化,是一个熵减少的过程,它与由于温度升高引起的热振动熵增加过程是相互抵消的,烧结过程中没有出现明显的放热或吸热现象,是有序无序竞争的结果。 分别采用两段式无压烧结法(Ⅰ)和粗化预处理二步烧结法(Ⅱ)制备亚微米氧化钛陶瓷。两段式无压烧结法(Ⅰ),可以显著抑制烧结过程中的晶粒长大,得到晶粒细小的高致密度的陶瓷;粗化处理二步烧结法(Ⅱ),第一步的粗化过程使细小的颗粒消失,试样产生更大的孔径,但得到的试样的孔径分布和粒度分布更小。在第二步烧结中,制备了显微组织更加均匀、晶粒更加细小且晶粒尺寸分布更窄的致密化陶瓷。
【学位授予单位】:青岛大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TF124.5

【引证文献】
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【参考文献】
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9 林鹏;固相反应型Al_2O_3-TiB_2复相陶瓷涂层形成机理及力学性能研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
10 刘伟娜;自制改性TiO_2可见光降解亚甲基蓝的研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
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10 朱财良;高压扭转工艺制备高性能铜基合金及其组织性能研究[D];合肥工业大学;2013年
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