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氧化锆/氧化铝晶须复合材料的制备及强韧化机理研究

孟凡  
【摘要】:四方多晶氧化锆(TZP)是一种应用非常广泛的陶瓷材料,它具有良好的机械性能、特殊的晶体结构以及优异的生物相容性,常被用于制造工程结构部件与工具、3C智能终端与智能穿戴产品、以及生物材料等。然而,TZP材料仍存在脆性大、抗水热老化性能较差等缺点,因此需要从原料组分与制备工艺的角度进一步提高其综合性能,以满足其更深层次的应用与发展。通过引入氧化铝晶须(Aw)的方式,可以很大程度上改善TZP材料的断裂韧性,但现有研究存在晶须引入工艺复杂、分散性不佳、长径比单一等诸多问题,且未对TZP稳定剂体系进行相关探讨,因此制约了氧化铝晶须强韧化氧化锆复相材料(TZP/Aw)的产业化发展。在此背景下,本论文致力于研究不同长径比及良好分散状态下,氧化铝晶须对不同稳定剂体系氧化锆基体致密化过程、显微结构演化过程、以及机械性能的影响效果与作用机制,从理论及应用的角度,拓展与丰富对TZP/Aw复相材料的认知水平。本课题首先通过“解团聚-除杂质-促分散”的优化工艺路线,对氧化铝晶须的分散及形貌学特征等进行了探索,在综合运用空间位阻效应与双电层理论的基础上,实现了氧化铝晶须在TZP基体中的良好分散与长径比精准调控。其次,通过对烧结工艺的优化,制备出不同长径比下的氧化铝晶须强韧化铈稳定四方多晶氧化锆材料(Ce-TZP/Aw),并针对其致密化行为、显微结构演变和力学性能开展研究。结果表明,氧化铝晶须的存在会降低Ce-TZP基体的烧结性能,当晶须长径比越大时,这种抑制作用越明显;随着晶须长径比的降低,复相材料基体晶粒的生长趋势减弱;晶须长径比对于材料断裂韧性、弯曲强度和相变程度的影响,具有相同的变化趋势,在晶须长径比大约为12时,韧性和强度达到最佳,分别为11.4±0.2 MPa·m~(1/2)和475±12 MPa,这表明应力诱导相变是Ce-TZP/A_W复合材料的主要强韧化机理。在此基础上,本课题使用形貌学优化后的三种不同长径比氧化铝晶须,分别制备出3Y-TZP/Aw与12Ce-TZP/Aw复相陶瓷,进一步研究了不同稳定剂体系下,氧化铝晶须对TZP基体烧结制备过程与强韧化效果的影响差异。结果表明,相对于12Ce-TZP/Aw,3Y-TZP/Aw烧结过程中不会由于氧化铝晶须的引入而产生液相,且3Y-TZP/Aw断裂时不发生应力诱导相变,其增韧机制主要为氧化铝晶须导致的裂纹偏转、桥接和晶须拔出,因此韧性随晶须长径比的降低而升高,最高可达9.35±0.36 MPa·m~(1/2),晶须增韧效果显著。本课题研究深化了对不同稳定剂体系TZP陶瓷材料的认知,拓展与丰富了氧化物晶须第二相对TZP陶瓷强韧化改性的基础理论,优化了晶须材料的处理工艺与复相材料的制备工艺。因此,本课题具有巨大的科学意义与应用价值。


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