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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2019年 硕士论文
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不同掺杂相对Al_2O_3基复相陶瓷力学和热学性能影响的研究

郭亚威  
【摘要】:氧化铝陶瓷凭借着熔点高、成本低、耐酸碱腐蚀及硬度大等优异的性能在航空航天、切削刀具、发动机等领域受到亲睐,但其弯曲强度(400-600MPa)和断裂韧性(3-4MPa·m~(1/2))较低,极大限制了其进一步推广应用。目前,复合增韧已成为结构陶瓷材料改善韧性的重要研究和发展方向。本文通过相变增韧和颗粒增韧相结合的复合增韧方式改善陶瓷材料的综合力学性能。采用放电等离子体烧结技术制备氧化铝基多元复相陶瓷,通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、激光热导仪等测试仪器,阿基米德排水法、单边切口梁法、三点弯曲等测试方法,对复相陶瓷显微结构、力学及热学性能进行表征,分析掺杂物对复相陶瓷物理性能的影响,并探讨相关机理。研究结果表明:对于ZrO_2增韧Al_2O_3复相陶瓷(ZTA),ZrO_2掺杂量达到20mol%时,其相对密度、断裂韧性、弯曲强度达到最大值,分别为97.8%、5.2MPa·m~(1/2)和910MPa;氧化锆晶粒的弥散强化和相变增韧是复相陶瓷力学性能获得提升的主要原因。SEM图像显示复相陶瓷断裂方式以沿晶断裂为主。此外,随ZrO_2掺杂量增加,复相陶瓷热导率由21.7W/m·k(10mol%)逐渐降低至16.9W/m·k(25mol%),维氏硬度由21.5GPa(10mol%)降低至19.3GPa(25mol%)。对于MgAl_2O_4强化ZTA复相陶瓷,MgAl_2O_4的引入使复相陶瓷综合性能的获得提升。当MgAl_2O_4掺杂量达到15 v.%时,复相陶瓷相对密度、断裂韧性、弯曲强度达到最大值,分别为99.81%、8.56MPa·m~(1/2)和1056MPa。断裂韧性的进一步提升主要归因于断裂模式的转变。此外,随着MgAl_2O_4掺杂量由15 v.%增加到30 v.%,复相陶瓷热导率由18W/m·k逐渐降低至14.2W/m·k,维氏硬度由19.1GPa降低至17.5GPa。对于微米级碳化钛硬质颗粒(TiC_m)强化ZTA复相陶瓷,断裂韧性随TiC_m掺杂量的增加由4.63 MPa·m~(1/2)(10 v.%)逐渐增加到6.41 MPa·m~(1/2)(25v.%),弯曲强度可达到750MPa;断裂韧性的进一步提升主要归因于高模量TiC颗粒与裂纹的相互作用,包括裂纹的弯曲、偏转及侨联。掺杂相同比例的纳米碳化钛颗粒(TiC_n),复相陶瓷断裂韧性和弯曲强度最高仅可达到4.11 MPa·m~(1/2)和400MPa;SEM图像显示其表面团聚严重。此外,随TiC_m掺杂量增加,复相陶瓷热导率由16.85W/m·k(10 v.%)逐渐降低至12.63W/m·k(25 v.%)。对于微米级碳化锆硬质颗粒(ZrC_m)强化ZTA复相陶瓷,当ZrC_m含量达到25v.%时,其断裂韧性和弯曲强度达到最大值,分别为10.61MPa·m~(1/2)和874.8MPa;掺杂相同比例的纳米碳化锆颗粒(ZrC_n),复相陶瓷断裂韧性和弯曲强度最高可达到6.71MPa·m~(1/2)、723MPa。这是由于纳米颗粒尺寸较小,在基体中引入的残余应力将不足以诱发类马氏体相变即其对马氏体相变的促进作用小于抑制作用,导致复相陶瓷力学性能大幅下降。此外,随着ZrC_m掺杂量增加,复相陶瓷维氏硬度由17.3GPa(10 v.%)逐渐降低至16.69GPa(25 v.%)。


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