Al-,2-O-,3--Cr-,3-C-,2-多元復合陶瓷材料的制備、性能及應用研究.pdf

1、氧化鋁陶瓷具有高硬度、耐磨損、耐高溫、抗腐蝕、低密度、原料分布廣泛等優(yōu)點，但韌性較差，尋求合適的方法提高氧化鋁陶瓷的強韌性，具有重要的理論意義和應用價值。本文利用Cr<,3>C<,2>分別與(W,Ti)C、SiC、Ti(C,N)等多相復合協(xié)同強韌化A1<,2>O<,3>陶瓷，成功制備了3種具有優(yōu)良綜合力學性能的新型A1<,2>O<,3>復合陶瓷材料。系統(tǒng)研究了新型Al<,2>O<,3>復合陶瓷材料的熱壓燒結工藝、力學性能、微觀結構、強韌

2、化機理、耐磨抗蝕、抗熱震性能，并進行了初步應用。 根據(jù)顆粒彌散強韌化機理，基于殘余應力場增韌和細晶強韌化，設計了Cr<,3>C<,2>分別與(W,Ti)C、SiC、Ti(C,N)等多相復合協(xié)同強韌化Al<,2>O<,3>陶瓷材料系統(tǒng)。 為精確測試陶瓷試樣的密度，在Archimedes排水法的基礎上，設計了精確快捷測量體積與密度的新方法，制作了相應的測試裝置。 成功研制了3種復合陶瓷材料ACW、ACT和ACS，

3、它們的平均抗彎強度、斷裂韌性和Vickers硬度分別為562MPa、9.35MPa·m<'1/2>和18.77GPa，715MPa、8.58MPa·m<'1/2>和20.9GPa，515MPa、8.221MPa·m<'1/2>和18.19GPa。利用SEM、TEM、EDAX、SAD等對3種復合陶瓷材料的微觀結構研究表明，只有在合適的熱壓工藝和組分條件下才能獲得良好的微觀組織結構。3種材料微觀結構中均發(fā)現(xiàn)了大量的位錯、內晶型納米粒子，和一

4、些應力條紋，它們對于材料的強韌化作出貢獻。添加相粒子對于基體晶粒的生長起到抑制作用，利于晶粒細化。材料斷裂方式表現(xiàn)出沿晶和穿晶的混合模式，斷口凹凸不平，偶見有長柱狀晶粒和晶粒拔出現(xiàn)象。表面壓痕裂紋的偏轉和橋聯(lián)，是復合材料強韌性提高的表現(xiàn)。 ACW復合陶瓷材料主要強韌化機制有殘余應力場增韌、裂紋偏轉與裂紋橋聯(lián)增韌、內晶型結構強韌化、細晶強韌化。 分析了內晶型結構對晶界的作用，認為，如果內晶型結構本身晶粒較小，處在一主晶

5、界兩界面之間，而其整體又處于壓應力狀態(tài)的話，則對該主晶界起到推開的作用；如處于拉應力狀態(tài)則對主晶界產(chǎn)生閉合作用。如果內晶型結構晶粒較大，自身較少的部分界面處在一主晶界上，而其整體又處于壓應力狀態(tài)，則擠壓該主晶界起到閉合強化的作用；如處于拉應力狀態(tài)則弱化主晶界。 Al<,2>O<,3>復合陶瓷材料與YG8硬質合金干摩擦時的摩擦系數(shù)、磨損率均明顯低于單相Al<,2>O<,3>陶瓷。其中，103[＃]、203[＃]、303[＃]材料

6、的摩擦系數(shù)和磨損率比單相Al<,2>O<,3>陶瓷降低了一半左右。Al<,2>O<,3>復合陶瓷材料的磨損率隨法向荷載、磨損時間的增加均減小，且變化趨向平緩。國家自然基金(N0.50405047)和山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(N0.2000-49)資助項目。基于Evans經(jīng)典磨損理論，考慮強度因素的影響，本文首次定義材料的綜合力學性能為H(H，K，σ)=H<'-0.5>K<,IC><'-0.75>σ<'X>，來評價陶瓷復合材料

7、的耐磨損性能。對于所研制的A1<,2>O<'3>復合陶瓷材料耐磨損性能測試結果表明，其耐磨損性能不僅隨硬度、韌性的提高而增強，還與強度的0.75次冪成正比。 A1<,2>2O<,3>復合陶瓷材料在常見酸、堿介質中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。 第二相Cr<,3>C<,2>和(W,Ti)C粒子的添加，使得203[＃]復合陶瓷材料的臨界熱震溫差ΔT。提高到250K左右。203[＃]復合陶瓷材料和單相A1<,2>O<,3>陶瓷的

8、斷裂功分別為189．4J·m<'-2>、38.6J·m<'-2>。，證明復合材料抗熱震性能的改善是通過大幅提高斷裂功實現(xiàn)的。 應用ACW復合陶瓷材料熱壓燒結制備了噴砂嘴，噴砂實驗表明，材料耐沖蝕磨損性能良好。 利用有限元軟件Deform－2D模擬了擠壓凹模的工作狀況，對其應力情況進行分析，采取預緊組合陶瓷凹模結構，使陶瓷盡量避開拉應力的作用，并模擬了預緊組合凹模結構合適的過盈量，為實際應用提供技術依據(jù)。應用所研制的A1