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纳米SiC颗粒复合Al_2O_3-ZrO_2（m）陶瓷材料的强韧化机理的研究

作　者: 郭小龙
导　师: 陈沙鸥
学　校: 青岛大学
专　业: 材料学
关键词: 纳米复合陶瓷材料 增韧补强 分散 残余应力 沿晶断裂
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2001年
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内容摘要


本论文研究的纳米SiC颗粒添加到亚微米ZrO2复合亚微米Al2O3陶瓷，是基于单一纳米颗粒添加的一种多相复合新尝试。详细探讨了纳米SiC-Al2O3-ZrO2复合陶瓷材料的分散、成型、烧结及测试等过程，通过对材料显微结构和力学性能的测定分析，研究纳米SiC的添加对ZrO2增韧Al2O3过程和机理的影响，深入分析和探讨纳米颗粒增韧补强的过程和机理。采用聚乙二醇（PEG）和聚甲基丙烯酸铵（PMAA-NH4）作为分散剂，进行纳米SiC和Si3N4粉料的水悬浮液和乙醇悬浮液的分散。沉降实验和粘度实验结果表明，采用PMAA-NH4作为分散剂，分散剂加入量为0.3wt%，pH值为9~10时，可以得到高分散、高稳定的水悬浮液。这主要是利用了PMAA-NH4的电空间稳定机制。 采用纳米SiC颗粒、亚微米级ZrO2和亚微米级Al2O3，经热压烧结制备纳米复合陶瓷材料SiC-Al2O3-ZrO2。通过对样品X射线衍射分析、电镜观察、断裂韧性、抗弯强度、显微硬度以及密度的研究结果表明：热压样品的相对密度平均在98%以上，含2vol%的1号样品达到99.8%。因为SiC是难烧结相，样品的致密度随碳化硅的加入呈下降趋势。在SiC加入量为2vol%时，由于分散比较均匀，对样品烧结性能影响不大，相对密度可达99.8%。在未加SiC时，四方ZrO2的含量最高为50.5vol%。随SiC加入量的增加，四方相ZrO2的含量呈下降趋势。加入量为2vol%时，四方相含量下降到22.4vol%，SiC含量再增加时，四方相含量变化不大。这表明，纳米SiC的加入使基体中的残余应力减小，使得氧化锆约束力松弛，在室温下四方相含量减小。<WP=4>在SiC纳米颗粒加入量为2vol%时，强度由不加SiC时的593.8MPa提高为629.6MPa。但在SiC加入量大于4vol%后，强度值下降到530.0MPa左右。断裂韧性以不加碳化硅时最大为6.69MPa(m1/2，当碳化硅的加入量为2vol%时降为6.01 MPa(m1/2，而SiC加入量为10vol%时韧性最低。SiC颗粒加入Al2O3-ZrO2时，对强韧化有两个方面的效应。一方面是由于SiC颗粒的加入使得基体对氧化锆颗粒的约束力下降，四方相减少导致的应力诱导相变作用的减弱，使得韧性下降。另一方面，纳米颗粒的裂纹钉扎作用使得样品的强度有所提高。如果两种效果能协调作用，将会使强韧化效果增大，反之则会削弱。SiC的加入，增大了（ZrO2）Al2O3复合材料的硬度，但降低了材料的烧结活性，使烧结体的致密度下降，材料的强度和韧性也有所下降。从断裂面观察看出，材料的断裂模式一般为沿晶断裂。

全文目录


第一章 前言  9-11
第二章 纳米复合陶瓷材料研究现状  11-44
  2．1 高技术陶瓷发展概况  11-13
  2．2 陶瓷材料强韧化机理  13-26
    2．2．1 陶瓷一般强化增韧的研究进展  14-22
    2．2．2 纳米颗粒复合陶瓷的强韧化机理  22-26
  2．3 纳米复合陶瓷材料  26-41
    2．3．1 制备工艺  28-33
    2．3．2 纳米粉体的团聚和分散概况  33-41
  2．4 本论文的研究思路和主要工作  41-44
第三章 纳米颗粒的分散实验  44-64
  3．1 实验  44-46
    3．1．1 实验原料  44
    3．1．2 实验方法与仪器  44-45
    3．1．3 实验过程  45-46
  3．2 纳米碳化硅分散结果和讨论  46-53
    3．2．1 沉降实验和粘度测量  46-49
    3．2．2 分析和讨论  49-52
    3．2．3 结论  52-53
  3．3 纳米Si_3N_4的分散  53-57
    3．3．1 实验结果  53-56
    3．3．2 分析和讨论  56-57
    3．3．3 结论  57
  3．4 SiC和Si_3N_4纳米颗粒分散中的介质因素  57-62
    3．4．1 分散结果  58-61
    3．4．2 分析  61-62
    3．4．3 结论  62
  3.5 结论  62-64
第四章 纳米SiC复合Al_2O_3-ZrO_2陶瓷的强韧化机理的研究  64-87
  4．1 样品的制备  64-67
    4．1．1 混合粉料的制备  64-65
    4．1．2 样品的热压烧结工艺  65-66
    4．1．3 测试试样的加工  66-67
  4．2 样品物理性能的测试方法  67-71
    4．2．1 密度测试  67-68
    4．2．2 硬度的测试  68-69
    4．2．3 压痕法测断裂韧性  69
    4．2．4 强度的测量  69-70
    4．2．5 X光衍射实验  70
    4．2．6 压痕裂纹及断口观察  70-71
  4．3 实验分析和讨论  71-86
    4．3．1 纳米碳化硅颗粒对样品烧结性能的影响  71-73
    4．3．2 纳米碳化硅颗粒对基体的残余应力的影响  73-77
    4．3．3 纳米碳化硅颗粒对材料强韧化的影响  77-86
  4．4 结论  86-87
参考文献  87-96
致谢  96

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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 > 非金属复合材料
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