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Fe-Al/Al_2O_3陶瓷基复合材料的凝胶注模成型工艺研究

作　者: 王园
导　师: 尹衍升
学　校: 中国海洋大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: Fe-Al/Al2O3 复合材料金属间化合物凝胶注模成型
分类号: TQ174.62
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

Fe-Al/Al2O3陶瓷基复合材料是以Al2O3陶瓷为基体,以Fe-Al金属间化合物为增韧补强相的复合材料。Fe-Al金属间化合物增韧补强陶瓷克服了纤维、晶须、金属颗粒增韧补强氧化铝陶瓷的弊端,充分发挥了Fe-Al金属间化合物这种半陶瓷材料与氧化铝相容性好的优点,使二者优势得到互补。目前制备Fe-Al/Al2O3陶瓷基复合材料的主要方法是机械合金化-加压烧结,首先用机械合金化方法制得Fe-Al粉末,然后与Al2O3陶瓷粉末混合后再热压烧结成型。这种成型方法简单易行,但难以得到复杂的形状,且烧结零件需进行后加工,增加了生产成本。本文选择凝胶注模成型工艺作为本课题研究的对象,其原理是在高固相含量的陶瓷浆料中加入可聚合有机单体及交联剂,在引发剂和催化剂的作用下,引发单体聚合使陶瓷浆料原位成型。运用该原理,本文制备出高固相体积含量的Fe-Al/Al2O3浆料,制得坯体强度高,组织结构均匀,具有良好的可加工性。通过机械合金化-中温培烧法制备得到Fe-Al金属间化合物粉末,确定工艺条件为球磨40h,750℃下保温2h。X射线衍射图看出金属铝逐渐与铁发生反应形成金属间化合物,750℃保温2h的退火促使材料由无序态向有序态转变。晶粒呈棒状,粒度达纳米级。本课题主要研究了如何制得高固相体积含量的流动性能良好的浆料,讨论了固相含量、分散剂及pH等对浆料流动性能的影响,研究得出浆料中固相含量为58Vol%时,以MN为分散剂,在pH=7时,可获得800mPa·s的低粘度浓悬浮液。本文还进行了浆料固化、干燥及脱胶工艺的研究。从聚合反应角度探讨了凝胶固化原理为单体自由基聚合,分析了引发剂对聚合反应速率及聚合物分子量的影响,并用红外光谱对聚合物结构进行了表征。实验结果表明:反应受引发剂影响显著,浆料中引发剂(浓度为10wt%)加入量为浆料的1.0vol%时,固化时间最为适宜,保证了浆料在浇注前有一定流动性而不会很快固化。本文还分析了坯体干燥和脱胶过程中,水分和有机物的失去过程,通过控制加热温度和时间,缩短了工艺周期。本研究使用SEM等技术对坯体的显微结构进行了表征,测定了坯体的抗弯强度,并分析了影响其性能的因素和机理。实验结果和显微结构分析表明:高固相含量浆料可浇注各种复杂器件,所得坯体强度高(89MPa)、组织结构均匀。在Fe-Al/Al2O3复合材料中,随着Fe-Al含量的增加,浆料粘度变大,固相含量减小,也使粉料的分散变得困难。但是坯体强度不与Fe-Al的含量成正比,当Fe-Al的含量为10%时,所得坯体结构均匀紧密。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 引言  12-31
  1.1 Fe-Al/Al_2O_3陶瓷基复合材料  13-20
    1.1.1 Fe-Al金属间化合物  13-15
      1.1.1.1 Fe-Al金属间化合物简介  13
      1.1.1.2 Fe-Al金属间化合物的制备工艺研究  13-14
      1.1.1.3 Fe-Al金属间化合物复合材料  14-15
    1.1.2 氧化铝陶瓷  15-16
    1.1.3 Fe-Al/Al_2O_3陶瓷基复合材料  16-20
  1.2 凝胶注模成型技术研究现状  20-29
    1.2.1 凝胶注模成型技术的原理  20-21
    1.2.2 凝胶注模成型技术的工艺流程和特点  21-22
    1.2.3 凝胶注模成型技术的研究进展  22-29
  1.3 本文研究内容  29-31
2 实验  31-35
  2.1 实验原料  31-32
  2.2 凝胶注模成型钛酸铝陶瓷工艺过程  32-34
    2.2.1 浆料的制备与固化  32-33
    2.2.2 有机物的排除  33
    2.2.3 素坯的烧结  33-34
  2.3 仪器及测试方法  34-35
3 Fe-Al金属间化合物制备工艺的研究  35-39
  3.1 制备过程  35
  3.2 Fe-Al金属间化合物在球磨过程中的结构转变  35-36
  3.3 Fe-Al金属间化合物的热处理行为  36-37
  3.4 Fe-Al金属间化合物的微观形貌  37-38
  3.5 本章小结  38-39
4 Fe-Al/Al_2O_3浆料性质的研究  39-48
  4.1 引言  39
  4.2 浆料的稳定分散机理  39-43
    4.2.1 悬浮体的静电稳定机制  39-41
    4.2.2 空间位阻稳定机制  41
    4.2.3 静电位阻稳定机理  41-42
    4.2.4 竭尽稳定机理  42-43
  4.3 Fe-Al/Al_2O_3浆料性质的研究  43-47
    4.3.1 固相含量对流变特性的影响  43-44
    4.3.2 pH值的影响  44-45
    4.3.3 分散剂的影响  45-47
  4.4 本章小结  47-48
5 坯体固化、干燥及表征  48-57
  5.1 浆料的固化  48-51
    5.1.1 凝胶固化原理  48-49
    5.1.2 引发剂用量对固化时间的影响  49-50
    5.1.3 温度对固化时间的影响  50-51
  5.2 坯体的干燥机制  51-53
  5.3 坯体的强度  53
  5.4 显微结构分析  53-56
    5.4.1 坯体的显微结构  53-55
    5.4.2 固相含量对显微结构的影响  55-56
  5.5 本章小结  56-57
6 Fe-Al/Al_2O_3复合粉料配比对凝胶注模成型的影响  57-61
  6.1 粉料配比对浆料的影响  57-58
  6.2 粉料配比对坯体的影响  58-60
    6.2.1 粉料配比对坯体强度的影响  58-59
    6.2.2 粉料配比对坯体显微结构的影响  59-60
  6.3 本章小结  60-61
7 结论  61-63
参考文献  63-69
致谢  69-70
个人简历  70
发表的学术论文  70

Fe-Al/Al_2O_3陶瓷基复合材料的凝胶注模成型工艺研究

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