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基于热压烧结的Ti/Al2O3复合材料制备工艺研究

作　者: 冯帅
导　师: 王志
学　校: 济南大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: Ti/Al2O3复合材料 热压烧结 界面反应 制备工艺
分类号: TB333
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


Ti与Al2O3均具有质轻、耐腐蚀等优良特性，且二者具有良好的物理化学相容性；与其它烧结技术相比，热压烧结技术应用广泛，且具有低温快速烧结的特点。本文利用热压烧结技术制备Ti/Al2O3复合材料，以期促进该复合材料的应用性发展。利用XRD、SEM、EDS、TEM等分析手段研究了Ti-Al2O3界面反应特性，结果表明，Ti-Al2O3界面存在以下反应：氧化铝高温下发生分解，分解出的Al原子和O原子扩散进入金属Ti中，Al与Ti发生反应，在近Ti侧生成Ti3Al，近Al2O3侧生成TiAl，O原子固溶到金属Ti中。纳米Ni可以通过捕获Al原子并生成Al-Ni金属间化合物，减少Al原子的扩散，优化界面反应，抑制Ti3Al的生成。研究和计算了不同温度下Ti/Al2O3复合材料的烧结性能及界面反应的热力学参数，发现随着烧结温度的升高，复合材料的相对密度逐渐增大，弯曲强度、断裂韧性、显微硬度呈先增大后减小的趋势；Ti和Al的活度系数增大，反应3Ti+Al=Ti3Al的吉布斯自由能减小，Ti3Al相更容易形成，Ti3Al相的增多降低了材料的力学性能。为了控制Ti/Al2O3复合材料的界面反应，选择纳米Ni和Nb作为界面控制剂，利用金属合金化的方法，改变了Ti/Al2O3复合材料的物相组成，抑制了Ti与Al2O3之间剧烈的界面反应，减少了脆性的Ti3Al相的生成，从根本上提高了复合材料的力学性能。通过对复合材料烧结工艺参数优化发现：当Ni的掺入量3.0vol%、烧结温度1400℃、升温速率20℃/min、保温时间60min时，Ti/Al2O3复合材料的性能分别为相对密度98.91%、弯曲强度384.27±13.11MPa、断裂韧性8.02±1.23MPa·m1/2、显微硬度16.16±1.43GPa；当Nb的掺入量为1.5vol%、烧结温度为1420℃、保温时间60min时，材料的相对密度、弯曲强度、断裂韧性和显微硬度分别为98.38%、374.55±42.04MPa、7.62±0.60MPa·m1/2和16.56±2.37GPa。相较于不掺加界面控制剂的复合材料力学性能有了较大的提高。对Ti/Al2O3复合材料的强韧化机制进行分析，外掺金属可以抑制界面反应、优化界面产物，细化材料的晶粒、提高材料的致密度；材料的断裂模式由沿晶断裂向沿晶断裂和穿晶断裂同时存在的混合断裂模式的转变提高了材料的强度；裂纹的桥联和偏转提高了材料的断裂韧性。

全文目录


目录  5-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
第一章 绪论  10-22
  1.1 研究背景  10
  1.2 陶瓷-金属复合材料概述  10-12
  1.3 Ti/Al_2O_3复合材料的研究现状  12-21
    1.3.1 氧化铝陶瓷的结构与性能  13
    1.3.2 钛的结构与性能  13-15
    1.3.3 Ti/Al_2O_3界面的研究进展  15-18
    1.3.4 Ti/Al_2O_3复合材料制备技术的研究进展  18-21
  1.4 本文研究的目的、意义和主要内容  21-22
    1.4.1 研究的目的和意义  21
    1.4.2 研究的主要内容  21-22
第二章 原料、仪器和测试方法  22-30
  2.1 实验原料  22-24
  2.2 实验仪器与设备  24-25
  2.3 材料性能测试及表征  25-30
    2.3.1 相对密度  25-26
    2.3.2 弯曲强度  26-27
    2.3.3 断裂韧性  27-28
    2.3.4 显微硬度  28
    2.3.5 物相组成和微观结构分析  28-30
第三章 Ti-Al_2O_3界面反应及微观结构分析  30-46
  3.1 研究内容和试验方法  30-32
    3.1.1 研究内容  30-31
    3.1.2 试样制备与表征  31-32
  3.2 Ti-Al_2O_3界面反应分析  32-38
    3.2.1 Ti-Al_2O_3界面产物的热力学计算  32-35
    3.2.2 Ti-Al_2O_3界面微观结构分析  35-38
  3.3 纳米 Ni 对 Ti-Al_2O_3界面微观结构的影响  38-45
    3.3.1 掺加纳米 Ni 的 Ti-Al_2O_3界面的制备  38-39
    3.3.2 纳米 Ni 对 Ti-Al_2O_3界面微观结构的影响  39-43
    3.3.3 Ti-Al_2O_3界面反应动力学分析  43-45
  3.4 小结  45-46
第四章 Ti/Al_2O_3复合材料制备工艺研究  46-74
  4.1 研究内容及实验方法  46-49
    4.1.1 研究内容  46-47
    4.1.2 实验方法  47-49
  4.2 Ti/Al_2O_3复合材料的物相组成分析  49-50
  4.3 Ti/Al_2O_3复合材料的烧结机理及微观结构分析  50-54
  4.4 掺加纳米 Ni 的 Ti/Al_2O_3复合材料制备工艺研究  54-61
    4.4.1 Ti/Al_2O_3复合材料制备工艺优化  54-58
    4.4.2 Ni 对 Ti/Al_2O_3复合材料物相组成及力学性能的影响  58-61
  4.5 掺加金属 Nb 的 Ti/Al_2O_3复合材料制备工艺研究  61-68
    4.5.1 Nb 对 Ti/Al_2O_3复合材料物相组成的影响  62-63
    4.5.2 Nb 对 Ti/Al_2O_3复合材料力学性能的影响  63-66
    4.5.3 烧结温度和保温时间对 Ti/Al_2O_3复合材料力学性能的影响  66-68
  4.6 复合材料的强韧化机制  68-72
    4.6.1 复合材料的强化机制  68-70
    4.6.2 复合材料的韧化机制  70-72
  4.7 小结  72-74
第五章 结论和展望  74-76
  5.1 结论  74-75
  5.2 展望  75-76
参考文献  76-82
致谢  82-84
附录  84

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属－非金属复合材料
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