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纳米AlN陶瓷材料制备和超塑性研究

作　者: 安晓燕
导　师: 李洪波
学　校: 燕山大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 纳米AlN MoSi2 机械合金化热压烧结超塑性有限元模拟
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

陶瓷超塑性是解决陶瓷材料难于加工问题的新途径。AlN陶瓷是一种理想的电子封装材料,应用前景十分广阔,复杂形状的AlN陶瓷零件应用越来越广泛,然而到目前为止,国际上还没有制备出具有超塑性的纳米AlN陶瓷。本文采用MoSi₂作为烧结助剂,通过真空热压烧结方法烧结纳米AlN粉体,制备了具有超塑性的纳米AlN陶瓷,研究了纳米AlN陶瓷的微观组织、力学性能和超塑性性能。采用机械合金化的方法制备纳米晶MoSi₂烧结助剂,球磨时间分别为96h、144h和192h,在球磨罐转速选为510rpm的条件下分别得到三组MoSi₂粉体。对三组MoSi₂粉体做XRD、TEM、DTA及EDS等分析,得到它们的组织性能和晶粒尺寸,通过比较得出球磨时间144h的MoSi₂粉体组织均匀且晶粒尺寸最小,只有12.68nm。将球磨时间144h的MoSi₂粉体作为烧结助剂,采用真空热压烧结方法在1500℃、1600℃和1700℃的温度下烧结AlN粉体,得到纳米AlN陶瓷。为便于比较,在对应烧结温度下又烧结出纯AlN陶瓷。将得到的陶瓷块体做XRD、TEM及DTA分析以得到它们的组织性能;同时也研究了陶瓷块体材料的弹性模量、维氏硬度和断裂韧性等力学性能。通过比较得出:以MoSi₂粉体作为烧结助剂的纳米AlN陶瓷,在相同烧结温度下致密度大幅度提高,最大可以达到99.1%;而且塑性明显优于纯AlN陶瓷。对纳米AlN陶瓷进行压缩和挤压实验,在1600℃,应变速率为4.0×10^-3s^-1的条件下,压缩比达到71%,表明纳米AlN陶瓷具有优良的超塑性。在1600℃,对纳米陶瓷进行了正反复合挤压成形,成形出了陶瓷环形试件,用SuperForm有限元软件对纳米AlN陶瓷超塑性挤压过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较,得到了纳米陶瓷超塑性变形的基本规律。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-27
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 氮化铝陶瓷的性能及烧结方法  12-16
    1.2.1 氮化铝陶瓷的性能  12
    1.2.2 氮化铝陶瓷的烧结方法  12-16
  1.3 烧结助剂MoSi_2 的制备方法  16-18
  1.4 氮化铝陶瓷的应用  18-20
  1.5 陶瓷超塑性及超塑性成形的发展  20-25
    1.5.1 超塑性的类型、特征  20-21
    1.5.2 陶瓷超塑性和超塑性成形研究进展  21-25
  1.6 选题的目的和意义  25-26
  1.7 本文研究的主要内容  26-27
第2章机械合金化制备纳米晶MoSi_2粉体  27-38
  2.1 引言  27-28
  2.2 材料与实验方法  28-29
    2.2.1 实验材料  28-29
    2.2.2 实验方法  29
  2.3 材料的组织结构分析方法  29-30
    2.3.1 X 射线分析  29
    2.3.2 扫描电镜  29
    2.3.3 差热分析  29
    2.3.4 晶粒尺寸大小的测量  29-30
    2.3.5 透射电镜观察  30
  2.4 结果与讨论  30-36
  2.5 本章小结  36-38
第3章纳米 AlN 粉体的烧结行为  38-60
  3.1 引言  38-40
  3.2 纳米 AlN 块体烧结  40-49
    3.2.1 粉末制备  40-42
    3.2.2 烧结模具设计  42
    3.2.3 烧结压力计算  42-43
    3.2.4 烧结条件及烧结实验工艺曲线  43-46
    3.2.5 粉末的DSC 测试  46-48
    3.2.6 材料微观组织与力学性能测试方法  48-49
  3.3 烧结实验结果与分析  49-56
    3.3.1 试样的X 射线衍射相分析  49-52
    3.3.2 SEM 观察及试样的烧结结果  52-56
  3.4 力学性能  56-59
    3.4.1 弹性模量  56-58
    3.4.2 维氏硬度  58
    3.4.3 断裂韧性  58-59
  3.5 本章小结  59-60
第4章纳米 AlN 陶瓷的超塑性研究  60-77
  4.1 引言  60-61
  4.2 压缩实验  61-65
    4.2.1 压缩实验条件  61
    4.2.2 压缩实验结果与分析  61-65
  4.3 超塑性挤压试验  65-67
    4.3.1 超塑性挤压试验条件  65-66
    4.3.2 挤压压力计算  66
    4.3.3 挤压实验结果与分析  66-67
  4.4 超塑性变形机理  67-69
  4.5 超塑性变形的有限元模拟  69-73
    4.5.1 数值模拟分析平台的建立  69-71
    4.5.2 纳米AlN 陶瓷超塑性挤压工艺数值模拟中的建模  71
    4.5.3 几何模型  71-72
    4.5.4 材料模型  72
    4.5.5 边界模型  72-73
  4.6 纳米 AlN 陶瓷超塑性挤压工艺模拟结果与分析  73-75
    4.6.1 不同温度超塑性挤压时的等效应力分析  73-75
    4.6.2 模拟挤压成形力结果分析  75
  4.7 本章小结  75-77
结论  77-78
参考文献  78-86
攻读硕士学位期间承担的科研项目及主要成果  86-87
致谢  87-88
作者简介  88

纳米AlN陶瓷材料制备和超塑性研究

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