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聚空心球对陶瓷性能影响的研究

牛同健  
【摘要】:微米级陶瓷聚空心球是粒径在几个微米至几百微米之间的由多个无机非金属材料空心球体组成的球体材料,其因中空结构而具有轻质、高强、低导热、隔声、耐磨、高分散、电绝缘和热稳定好等特性,作为一种新型轻质工业基础材料,广泛应用在航天、航空、军工、医药、化工、石油、公路、建材、耐火保温、塑料橡胶、高分树脂材料及水土保持、沙漠治理等领域中。 本文将陶瓷空心球应用于陶瓷材料添加以改善陶瓷材料的性能,期望材料在断裂时,裂纹扩展过程中能够穿过多孔层,使裂纹的能量得到耗散或者裂纹在穿过多孔层时发生偏转,经过反复的裂纹偏转和能量释放,力学性能得到改善,最终得到高性能陶瓷材料。 通过氧化铝聚空心球直接添加到制备氧化铝多孔陶瓷,研究烧结温度对所得多孔陶瓷的密度、收缩率、吸水率以及强度的影响。研究结果表明:不同烧结温度的聚空心球,吸水率无明显变化;随烧结温度的增加,陶瓷致密化增加,陶瓷的机械性能得到显著的提高,断裂韧性由0.5MPa·m~(1/2)增加到2.25MPa·m~(1/2),三点抗弯强度由25 MPa增加到250 MPa,聚空心球与基体结合更加紧密,陶瓷断裂过程中,裂纹以穿过空心球扩展的方式为主。 通过聚空心球作为多孔层制备层状陶瓷。分别研究了Al_2O_3聚空心球和Si_3N_4聚空心球作为多孔层加入到Si_3N_4和Al_2O_3基体中制备的层状陶瓷,研究不同层厚比以及不同质量分数的聚空心球添加对陶瓷性能的影响。研究表明:不同材质的空心球与基体材料,由于热膨胀系数的不同,在层状材料制备中容易出现脱层,当氧化铝聚空心球质量分数为60%时,氧化铝的致密基体层与多孔层层厚比为5/2时,试样力学性能达到最高,层状氧化铝断裂韧性达到5.59MPa·m~(1/2),抗弯强度达到353.77 MPa;对于氮化硅基体,当中间层聚空心球含量为60%,层厚比为5/2时,断裂韧性出现最高值9.26MPa·m~(1/2),增幅50%左右,其抗弯强度和断裂功也为相应的最佳值。


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