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Al_2O_3基纳米复合陶瓷模具材料的研制及其摩擦磨损行为研究

作　者: 肖光春
导　师: 许崇海
学　校: 山东轻工业学院
专　业: 机械电子工程
关键词: 纳米复合陶瓷模具材料微观结构力学性能摩擦磨损
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 199次
引　用: 2次
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内容摘要

本文针对成形模具对陶瓷材料的要求,从提高陶瓷模具材料的综合力学性能出发,选用具有高硬度、耐磨损、耐高温、抗腐蚀、原料分布广泛的Al₂O₃陶瓷为基体,采用纳米复合方法制备出具有较高综合力学性能的纳米复合陶瓷模具材料。从热压烧结工艺、微观结构及其与力学性能的关系等方面,系统研究了纳米复合陶瓷模具材料的增韧补强机理,发现晶内/晶间混合型的微观结构和穿晶/沿晶混合断裂模式,是纳米复合陶瓷模具材料强韧化提高的主要原因。根据胶体化学理论中的悬浮液的稳定机制,采用起空间位阻稳定作用的PEG为分散剂,对不同的纳米陶瓷粉体进行了液相分散研究,通过优化PEG分散剂的分子量、加入量以及悬浮液的pH值等参数,结合超声分散及机械搅拌工艺,得到了分散均匀的纳米粉体及其混合粉体的稳定悬浮液。探讨了组分含量、烧结工艺对纳米复合陶瓷模具材料微观结构和力学性能的影响,研制成功了纳米复合陶瓷模具材料Al₂O₃/Ti（C₇N₃）,其抗弯强度为789 MPa、断裂韧性为8.1MPa·m1/2、硬度16.4GPa。与单一的微米Al₂O₃陶瓷材料相比,其抗弯强度和断裂韧性都得到大幅提高。在致密的烧结陶瓷中,纳米Ti（C₇N₃）与微米Al₂O₃形成了典型的晶内/晶间混合型结构,裂纹从晶间到晶内再到晶间的路径扩展,消耗了更多的断裂能,形成了沿晶/穿晶混合的断裂模式,是其综合力学性能得到较大提高的主要原因。表面压痕裂纹的偏转和桥联及裂纹分支和颗粒拔出,是复合材料韧性提高的表现。对纳米复合陶瓷模具材料进行了摩擦磨损性能实验研究,并对其磨损表面微观形貌进行了观察和分析,探讨了Al₂O₃/Ti（C₇N₃）纳米复合陶瓷模具材料的磨损机理。研究结果表明,在法向载荷50～150N、摩擦转速为70r/min和140r/min干摩擦条件下,纯Al₂O₃陶瓷的摩擦系数为0.58～0.8,Al₂O₃/Ti（C₇N₃）纳米复合陶瓷模具材料的摩擦系数为0.45～0.65;纯Al₂O₃陶瓷磨损率的数量级为10-14m3/N·m,Al₂O₃/Ti（C₇N₃）纳米复合陶瓷模具材料磨损率的数量级为10-15m3/N·m;纯Al₂O₃陶瓷的磨损机理为脆性断裂和磨粒磨损,Al₂O₃/Ti（C₇N₃）纳米复合陶瓷模具材料的磨损机理为机械冷焊、塑性变形和磨粒磨损。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第1章绪论  11-24
  1.1 纳米复合陶瓷材料的研究现状  11-19
    1.1.1 纳米复合陶瓷材料的定义  11-12
    1.1.2 纳米复合陶瓷材料的显微结构  12
    1.1.3 纳米复合陶瓷材料的力学性能  12-16
    1.1.4 纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理  16-18
    1.1.5 纳米复合陶瓷粉体的制备方法  18-19
  1.2 陶瓷模具材料的研究现状及存在的问题  19-21
    1.2.1 陶瓷模具材料的研究现状  19-20
    1.2.2 陶瓷模具材料研究存在的问题  20-21
  1.3 陶瓷模具材料的摩擦磨损性能研究  21-22
  1.4 本课题研究的目的、意义及主要研究内容  22-24
    1.4.1 研究的目的及意义  22-23
    1.4.2 主要研究内容  23-24
第2章纳米陶瓷粉体的分散  24-35
  2.1 纳米粉体的团聚  24-25
    2.1.1 纳米粉体团聚的原因  24
    2.1.2 干粉颗粒团聚的状态  24-25
  2.2 纳米粉体的分散方法及分散机理  25-29
    2.2.1 纳米粉体的分散方法  25-27
    2.2.2 纳米粉体的分散机理  27-29
  2.3 纳米粉体的分散实验研究  29-33
    2.3.1 实验原材料  29
    2.3.2 分散工艺  29
    2.3.3 纳米Al_2O_3 陶瓷粉体的分散  29-31
    2.3.4 纳米Ti(C_7N_3)陶瓷粉体的分散  31-32
    2.3.5 纳米复合陶瓷粉体的分散  32-33
  2.4 本章小结  33-35
第3章 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料的组分与制备工艺  35-44
  3.1 组分选择  35-38
    3.1.1 物理相容性  35
    3.1.2 化学相容性  35-38
  3.2 制备工艺  38-41
    3.2.1 复合粉料的制备  38-39
    3.2.2 烧结工艺  39-41
    3.2.3 试样制备  41
  3.3 性能测试  41-43
    3.3.1 抗弯强度  41
    3.3.2 硬度  41
    3.3.3 断裂韧性  41-42
    3.3.4 相对密度  42-43
  3.4 微观结构观察与分析  43
  3.5 本章小结  43-44
第4章 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料的力学性能与微观结构  44-64
  4.1 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料的力学性能  44-49
    4.1.1 纳米Ti(C_7N_3)含量对材料力学性能的影响  44-45
    4.1.2 Mo、Ni 含量对材料力学性能的影响  45
    4.1.3 热压烧结工艺对材料力学性能的影响  45-48
    4.1.4 不同 Al_2O_3 粉体对材料力学性能的影响  48-49
  4.2 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料的微观结构  49-56
    4.2.1 纳米 Ti(C_7N_3)含量对材料微观结构的影响  49-52
    4.2.2 Mo、Ni 含量对材料微观结构的影响  52
    4.2.3 热压烧结工艺对材料微观结构的影响  52-55
    4.2.4 不同Al_2O_3 粉体对材料微观结构的影响  55-56
  4.3 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料的增韧补强机理研究  56-62
    4.3.1 晶粒细化强韧化  56-57
    4.3.2 晶内型结构强韧化  57-58
    4.3.3 断裂模式的改变  58-59
    4.3.4 裂纹偏转  59-60
    4.3.5 裂纹桥联  60-61
    4.3.6 裂纹分支  61
    4.3.7 颗粒拔出  61-62
  4.4 本章小结  62-64
第5章 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料摩擦磨损行为研究  64-73
  5.1 摩擦磨损实验方法  64-66
    5.1.1 实验装置  64-65
    5.1.2 实验内容  65-66
  5.2 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料的摩擦性能研究  66-67
    5.2.1 载荷对摩擦系数的影响  66-67
    5.2.2 转速对摩擦系数的影响  67
  5.3 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料的磨损性能研究  67-69
    5.3.1 载荷对磨损率的影响  67-68
    5.3.2 转速对磨损率的影响  68-69
  5.4 Al_2O_3 基纳米复合陶瓷模具材料的磨损机理研究  69-72
    5.4.1 载荷对磨损机理的影响  69-71
    5.4.2 转速对磨损机理的影响  71-72
  5.5 本章小结  72-73
第6章结论  73-75
参考文献  75-82
致谢  82-83
攻读学位期间发表的学术论文、参加的课题与奖励  83

Al_2O_3基纳米复合陶瓷模具材料的研制及其摩擦磨损行为研究

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