自增韧陶瓷复合材料的研究

一、自增韧陶瓷复合材料的研究（论文文献综述）

张志远^[1]（2020）在《碳化硅纤维/堇青石基尾矿微晶玻璃复合材料的制备》文中认为堇青石微晶玻璃是一种性能优异的复相材料。它具有较低的介电常数和介电损耗以及可调的热膨胀系数和良好的电绝缘性能,同时还具有良好的化学稳定性和循环抗热震性。因此,堇青石微晶玻璃不仅可在电力电子工业领域用于制造绝缘体、滤波器、电容器等,还可在航天工业用于制造雷达天线保护罩。此外,这种特殊微晶玻璃材料还可用于生物、过滤及催化剂载体等领域。本课题组曾以白云鄂博西尾矿和粉煤灰为主要原料,采用熔融法已成功制备出了一种机械强度较高、介电性能优良、热膨胀系数低的镁铝硅系堇青石基微晶玻璃。但这类微晶玻璃的高脆性限制了其应用。已有研究已经证明与高模量纤维复合可用于强韧化堇青石微晶玻璃。然而,常见复合工艺所需的热压条件又限制了相关应用。与此同时,此类复合材料的无压烧结相关研究还处于初级阶段。为此,本论文首先尝试采用传统陶瓷工艺制备堇青石微晶玻璃,并在此基础上探索在无压和石墨粉埋烧条件下制备填加0～40wt%碳化硅纤维的堇青石基尾矿微晶玻璃复合材料,研究并揭示碳化硅纤维填加量、烧结温度和保温时间对所制备复合材料的显微结构组成及性能的影响,取得以下结果。采用传统陶瓷制备工艺,以白云鄂博尾矿为主要原料,在烧结温度为1100℃～1180℃、保温时间为4～12小时条件下制备出堇青石基微晶玻璃。最佳制备工艺为烧结温度1100℃,保温时间为8小时。此时,所制备材料的体积密度为1.92g/cm3,维氏硬度为5.22GPa。烧结温度进一步升高会导致样品出现变形。以上述结果为基础,通过采用石墨粉埋烧抑制碳化硅纤维在高温条件下的氧化分解,采用与上述相同的工艺制备出由碳化硅、堇青石、奥长石组成的碳化硅纤维/堇青石基尾矿微晶玻璃复合材料。在0～20wt%范围内,碳化硅纤维含量升高促进堇青石形成,此后会转为抑制。10wt%碳化硅纤维的加入可通过消除气孔使复合样品密度在无碳化硅样品基础上大幅提高。此后,碳化硅纤维含量升高会导致样品密度下降。与此同时,样品的表面粗糙度上升,表明样品断裂韧性随之上升。在测试频率为10MHz条件下,碳化硅/堇青石微晶玻璃复合材料样品的介电常数（41～48）及介电损耗（0.06～0.25）均高于未填加样品（34,0.008）。论文研究结果对于此类复合材料的开发及其在矿冶固废的清洁高值利用领域中的应用具有借鉴作用。

王辉^[2]（2020）在《高性能Si3N4基陶瓷刀具材料及性能研究》文中研究指明氮化硅陶瓷具有硬度高、抗氧化性好、耐磨、耐腐蚀、化学性能稳定和高温性能优异等优点,是一种发展潜力巨大的新型陶瓷材料。高强度、高韧性的氮化硅陶瓷材料制备的陶瓷刀具在高速切削领域应用广泛。本文以α-Si3N4粉末为基体材料,以TiC晶须和颗粒为增韧补强相,以稀土氧化物Y2O3、Al2O3和TiO2为烧结助剂,采用热压烧结工艺成功制备了综合性能优异的Si3N4基陶瓷刀具材料。研究了烧结助剂对Si3N4基陶瓷刀具材料微观结构和力学性能的影响。研究发现,烧结助剂Y2O3、Al2O3和TiO2组合使用时,通过调整复合烧结助剂Y2O3-Al2O3-TiO2中各组分的配比,可以进一步的降低烧结助剂产生的负面影响,提高材料的性能,Y2O3、Al2O3和TiO2的配比为55.0vol.%:39.2vol.%:5.8vol.%时,材料的抗弯强度和断裂韧性提升较大。而复合烧结助剂的总添加量同样对复合材料的性能和微观结构有显着影响,当复合烧结助剂的总添加量为9wt%时,材料性能较好,此时,TiC颗粒增韧Si3N4基陶瓷刀具材料的抗弯强度为743.9MPa,断裂韧性为7.4MPa.m1/2。优化了Si3N4基陶瓷刀具材料的烧结温度和保温时间。在不同工艺条件下,对含有64.5vol.%Si3N4、27.7vol.%TiC、4.3vol.%Y2O3、3.0vol.%Al2O3、0.5vol.%TiO2 的复合粉末进行热压烧结。实验结果表明,烧结温度1700℃,保温时间30min,烧结压力30MPa,为TiC增韧Si3N4基陶瓷刀具材料的最佳烧结工艺。在此烧结工艺条件下,TiC颗粒对材料强度和硬度的提升要优于TiC晶须,而TiC晶须对材料韧性的提升更加占有优势。TiC颗粒增韧Si3N4基陶瓷刀具材料的抗弯强度和维氏硬度高达743.9 MPa和17.9 GPa,断裂韧性为7.4MPa-m1/2,TiC晶须增韧Si3N4基陶瓷刀具材料的断裂韧性高达7.9 MPa.m1/2,抗弯强度和维氏硬度分别为690.6 MPa和17.4 GPa。研究了TiC增韧Si3N4基陶瓷刀具材料的增韧补强机理。研究发现,TiC晶须/颗粒在裂纹扩展过程中不仅能发生拔出效应,还能使裂纹发生偏转和桥联,使裂纹难以继续扩展,提高材料的强度和韧性,影响TiC增韧Si3N4基陶瓷刀具材料的因素有晶粒形状、粒径大小与气孔率、界面特性等。

黄雪娟^[3]（2020）在《Al2O3/ZrO2复合陶瓷的显微结构及力学性能研究》文中研究说明四方多晶氧化锆（TZP）是一种应用非常广泛的陶瓷材料,它具有良好的机械性能及特殊的晶体结构,常被用于制造工程结构部件与工具、医疗器械、数码产品等,尤其是5G时代的到来,智能终端产品——手机对于信号接收的更高要求,使得陶瓷手机背板得到了发展的契机,且目前陶瓷手机背板所用材料为Y-TZP。然而,TZP材料仍存在脆性、稳定性较差等缺点,因此需要从原料组分与制备工艺的角度进一步提高其综合性能,以满足其更深层次的应用于发展。通过复合化即在陶瓷基体中引入第二相,如纳米颗粒、晶须（或纤维）等,可以很大程度上改善TZP材料的断裂韧性。现有研究中常用的有Al2O3颗粒、Al2O3晶须或Si C晶须作为增强相,然而外加纳米颗粒、晶须很难在基体中分散均匀,且晶须的制备工艺复杂、容易产生团聚,影响复合材料的力学性能。在此背景下,本文致力于研究不同Al2O3含量在良好分散状态下对不同稳定剂含量氧化锆基致密化、显微结构及力学性能的影响效果和作用机制,并利用原位生长长棒状晶粒代替外加晶须,对Al2O3/Zr O2复合陶瓷进行改良,以期得到具有优良综合力学性能的陶瓷材料。本研究首先以不同稳定剂含量（2.3 mol%和3 mol%Y2O3）的Zr O2、Al2O3粉末为原料,采用机械混合、常压烧结方法制备了Zr O2基陶瓷复合材料,运用XRD、SEM、EDS等手段对材料的显微结构进行了分析,研究了Al2O3第二相颗粒对Zr O2陶瓷显微组织和力学性能的影响,并探究其强韧化机理。结果表明,2.3Y系列Al2O3/Zr O2复合陶瓷试样的最适烧结温度为1500℃,3Y系列和2.3/3Y系列试样的最适烧结温度为1550℃,适量的Al2O3能促进复合材料烧结致密化。烧结试样抛光表面的m-Zr O2含量随Al2O3含量的增加而降低,且Al2O3能抑制Zr O2晶粒的生长,使得Zr O2晶粒尺寸下降。试样的力学性能受烧成温度和Al2O3含量的双重影响,稳定剂含量为2.3 mol%Zr O2中加入5wt.%Al2O3在1550℃烧结的试样性能最佳,抗弯强度和断裂韧性分别为924±34 MPa和6.2±0.4 MPa·m1/2。试样的断裂模式为以沿晶断裂为主、部分穿晶断裂的混合断裂模式,主要增韧机制为应力诱导相变增韧及裂纹偏转增韧。在此基础上,在复合材料中加入La2O3,La2O3与Al2O3在高温下反应原位生成长棒状La Al11O18。为了探究La2O3对复合材料相组成、显微结构和力学性能的影响,以2.3Y5A为参照,添加0.4 wt.%、0.8 wt.%和1.2 wt.%La2O3,La2O3的有细化晶粒尺寸的作用,氧化锆晶粒尺寸从670 nm下降到535 nm。改良后的复合陶瓷试样抗弯强度有所下降,但断裂韧性都得到了提高,分别为6.1±0.2 MPa·m1/2、6.5±0.1 MPa·m1/2和6.3±0.2 MPa·m1/2,其断裂韧性与断口相变量变化趋势不同,这里长棒状La Al11O18晶粒对裂纹由偏转、桥联及拔出作用,使得断裂韧性增加。进一步探究在La2O3最适添加量下的不同Al2O3含量的Al2O3/Zr O2复合陶瓷中各物相成分比例对复合材料力学性能的影响。断裂韧性随Al2O3与La Al11O18含量的增加而增加,且与不添加La2O3试样相比,其断裂韧性都得到了提高,且增幅逐渐增大,2.3Y20A0.3La获得最大断裂韧性为7.1±0.2 MPa·m1/2,增幅达29%。在Al2O3添加量为10 wt.%以上时,长棒状晶粒引起的裂纹偏转、桥联及晶粒拔出增韧机制对断裂韧性提高占主导地位。

梁磊^[4]（2019）在《石墨烯/氧化铝复合材料的可控制备及强韧化机理》文中提出氧化铝陶瓷因其优异的力学性能和耐高温性能而受到广泛关注,但氧化铝陶瓷的本质脆性限制了它在很多领域的应用,因此很多研究者针对如何提高氧化铝陶瓷的韧性开展了卓有成效的研究。本文将力学性能优异的石墨烯增强体加入到氧化铝基体中,研究了石墨烯含量和排布方式对氧化铝陶瓷的微观组织和韧性影响规律。本文利用液相混合法将氧化铝陶瓷颗粒和氧化石墨烯浆料均匀混合,采用极速冷冻的方法将混合液固相中的水转化为冰,同时氧化石墨烯和氧化铝陶瓷颗粒被固定住,后续通过冻干法去除冰获得了氧化铝陶瓷颗粒和氧化石墨烯的混合粉体,采用氢气将氧化石墨烯还原为石墨烯,同时采用原位致密化制备出了石墨烯/氧化铝复合材料,微观组织表明石墨烯在氧化铝陶瓷中是随机分布,石墨烯在基体中均匀分布,随着石墨烯含量的增加,复合材料的断裂韧性先增大后降低,当石墨烯含量为0.3 vol%时,所制备的复合材料断裂韧性(KIC)最高,达到了6.8 MPa·m1/2,弯曲强度提升到了421 MPa,相对于纯氧化铝陶瓷来说,断裂韧性提高了37%,弯曲强度提高了7%。同时研究表明,采用不同的烧结方法,获得纳米复合材料致密性和导电性有明显区别,采用放电等离子烧结的方法更有利于复合材料的致密化,石墨烯含量为10 vol%复合材料的致密度高达96%。石墨烯的加入,大大提高了氧化铝陶瓷复合材料的电导率,随着石墨烯含量的增加,电导率逐渐增加,当石墨烯含量为10 vol%时,所制备的复合材料的电导率最高可达4.13×103 S/m,而氧化铝基体通常是电绝缘的。在上述工作基础上,以氧化石墨烯和一水合氧化铝为原料,通过改变冷冻速度和控制温度场,可以有效的控制水结晶的方向,从而可以有效的控制氧化石墨烯的排布方向,经过干燥和还原后得到石墨烯/一水合氧化铝复合海绵,利用热压烧结的方法制备出致密的氧化铝陶瓷复合材料。研究结果表明,这种纳米复合材料具有层状结构,石墨烯在复合材料中定向排布,而且没有发生团聚。这种层状结构复合材料具有优异的韧性,当石墨烯含量为4 vol%时,复合材料的断裂韧性(KJC)高达22.0 MPa·m1/2,是纯氧化铝陶瓷的7倍,扫描电镜结果表明,裂纹的扩展轨迹曲折,这是石墨烯在基体中的有序排列造成的,阻碍了裂纹的扩展,延长了裂纹扩展的路径。这种层状结构的纳米复合材料还具有较高的模量（287GPa）和优异的电导率（825 S/m）。研究结果还发现,随着石墨烯含量的增加,复合材料的断裂韧性呈现先增大后降低的趋势。

张晶伟^[5]（2018）在《高性能导电氮化硅基陶瓷刀具材料研究》文中指出Si3N4陶瓷具有高硬度、高熔点和良好的高温性能等优点,但氮化硅陶瓷本身的韧性低、脆性大限制了其进一步的发展和应用。本文采用颗粒、晶须增韧的方法改善氮化硅基陶瓷刀具材料的断裂韧性。根据氮化硅复合陶瓷刀具材料的设计原则,选择合适的颗粒、晶须来提高Si3N4陶瓷材料的综合性能。根据复合陶瓷刀具材料的增韧补强机理、烧结机理,采用液相热压烧结,制备了以TiC颗粒和TiC晶须为添加相,Si3N4为基体相,Y203和A1203为烧结助剂的高性能导电Si3N4-TiC（颗粒）、Si3N4-TiC（晶须）陶瓷刀具材料。其中TiC晶须是以Ti02、C为主要原料,NaCl、Ni为晶须生长助剂,采用碳热还原法制备。研究Si3N4陶瓷的烧结机理,其表面能的降低为烧结致密化提供驱动力,研究影响Si3N4陶瓷烧结的因素。研究Si3N4基陶瓷刀具材料复合粉末的制备,确定材料的实验方案。对材料的组分和烧结工艺进行优化,并对材料力学性能和显微结构进行分析。在烧结温度为1700℃,保温时间为60min,烧结压力为30MPa的最佳烧结工艺下,制备的Si3N4-TiC（颗粒）和Si3N4-TiC（晶须）具有优良的综合力学性能。Si3N4-TiC（颗粒）复合陶瓷刀具材料的力学性能为:抗弯强度756MPa,断裂韧性7.36MPa.m1/2,维氏硬度18.46GPa;Si3N4-TiC（晶须）复合陶瓷刀具材料的力学性能为:抗弯强度686MPa,断裂韧性8.12 MPa.m1/2,维氏硬度 17.56GPa。研究TiC颗粒和TiC晶须增韧氮化硅陶瓷刀具材料的增韧补强机理,并对其增韧补强机制进行分析。Si3N4基复合陶瓷材料强度的提高得益于添加相与基体相间良好的匹配性、材料较高的致密度、烧结助剂的添加等。Si3N4基复合陶瓷材料断裂韧性的提高取决于TiC晶须（颗粒）的桥联、拔出、裂纹偏转以及部分β-Si3N4晶粒的增韧作用。

康永,豆高雅^[6]（2016）在《陶瓷基复合材料研究现状和应用前景》文中认为综述了陶瓷基复合材料的研究现状、基体和增强增韧纤维的选择;对陶瓷基复合材料的界面、增韧技术及其制造工艺,尤其是对化学气相浸渗（CVI）工艺做出了较为全面的总结和介绍。最后对陶瓷基复合材料应用前景进行了展望。

康永,豆高雅^[7]（2016）在《陶瓷基复合材料界面增韧机理及复合新技术》文中指出陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料,由于该类材料具有良好的高温性能[1],因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。如航空发动机的推重比为10时,涡轮前进口温度达1 650℃,在这样高的温度下,传统的高温合金材料已经无法满足要求,因此国内外的材料研究者纷纷把研究的重点转向陶瓷基复合材料[2]。研究者通过大量的实验发现,陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力,而且材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理

王瑞凤,孙志平,邹丽艳,张国俊^[8]（2011）在《陶瓷材料增韧机理的研究进展》文中认为脆性是制约陶瓷材料发展的主要因素,因此陶瓷的增韧是陶瓷材料研究领域的核心问题。本文重点介绍了陶瓷材料增韧技术,分析了陶瓷材料的增韧机理。最后,探讨了陶瓷材料增韧技术的研究现状和今后的发展方向。

胡红涛,许国华,庄媛,昝青峰,叶晓健^[9]（2011）在《多孔陶瓷支架材料补强增韧方法的研究进展》文中研究指明高空隙率生物陶瓷支架是骨组织工程中的研究热点,但其陶瓷本身的脆性和高空隙率带来的强度差等问题限制了其在临床中的应用。随着陶瓷工艺的进步,一些增强补韧的方法应运而生,主要包括纤维增韧、晶须增韧、颗粒增韧、复合增韧、自增韧等。这些方法使陶瓷材料的强度和韧性有了较大提高。现就各种方法的相关机制进行论述,探讨陶瓷材料增韧补强技术的研究现状,并对其今后的发展前景进行展望。

邢玉凯^[10]（2011）在《压电陶瓷的断裂韧性与晶粒尺寸及分布的关系》文中研究指明压电陶瓷作为一种具有力、热、电、光等敏感特性的功能材料,目前已成为工业、科研以及日常生活中重要的陶瓷材料。压电陶瓷在需要良好的压电性能的同时,同样需要良好的力学性能。由于压电陶瓷断裂韧性低的固有弱点,限制了它的实际应用范围,因此如何提高压电陶瓷的断裂韧性成为目前研究中极富挑战性的课题。本文首先通过对压电陶瓷的断裂行为及增韧机理进行总结分析得出：对于穿晶断裂的压电陶瓷,主要增韧机理是微裂纹增韧,气孔率对韧性有负面影响；对于沿晶断裂的压电陶瓷,主要增韧机理是晶界解离,气孔率对其韧性有负面影响。然后通过对压电陶瓷的典型实验现象和已有的各种解释分析发现：通过加入第二相来增韧压电陶瓷,虽然显着改变了这些压电陶瓷的断裂韧性,但是严重损害了其压电性能；而通过自增韧的压电陶瓷不仅改善了断裂韧性,且保持了其优良的压电性能。根据以上结论,以自增韧作用机理为出发点,在保证压电性能基本不变的情况下,对于穿晶断裂和沿晶断裂的压电陶瓷,分别建立了一个有关压电陶瓷的断裂韧性与晶粒尺寸及分布关系的模型。运用新建立的模型,针对BaTiO3、PZT和（Bi1/2Na1/2）TiO3三种压电陶瓷材料,计算发现晶粒尺寸及分布的变化对断裂韧性有很大影响。通过模型计算的不同大晶粒加入量的断裂韧性,与已报道的实验结果进行对比后发现,模型计算结果与实验数据具有很好的一致性。从而证明了所建模型的可靠性和普遍适用性。今后,我们可以利用建立的模型求解最佳的晶粒尺寸及分布,制备具有增韧效果最佳的压电陶瓷。

二、自增韧陶瓷复合材料的研究（论文开题报告）

（1）论文研究背景及目的

此处内容要求：

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例：

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

（2）本文研究方法

调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、自增韧陶瓷复合材料的研究（论文提纲范文）

（1）碳化硅纤维/堇青石基尾矿微晶玻璃复合材料的制备（论文提纲范文）

（2）高性能Si3N4基陶瓷刀具材料及性能研究（论文提纲范文）

（3）Al2O3/ZrO2复合陶瓷的显微结构及力学性能研究（论文提纲范文）

（4）石墨烯/氧化铝复合材料的可控制备及强韧化机理（论文提纲范文）

（5）高性能导电氮化硅基陶瓷刀具材料研究（论文提纲范文）

（6）陶瓷基复合材料研究现状和应用前景（论文提纲范文）

（7）陶瓷基复合材料界面增韧机理及复合新技术（论文提纲范文）

（9）多孔陶瓷支架材料补强增韧方法的研究进展（论文提纲范文）

（10）压电陶瓷的断裂韧性与晶粒尺寸及分布的关系（论文提纲范文）

四、自增韧陶瓷复合材料的研究（论文参考文献）

• [1]碳化硅纤维/堇青石基尾矿微晶玻璃复合材料的制备[D]. 张志远. 内蒙古科技大学, 2020(06)
• [2]高性能Si3N4基陶瓷刀具材料及性能研究[D]. 王辉. 山东科技大学, 2020(06)
• [3]Al2O3/ZrO2复合陶瓷的显微结构及力学性能研究[D]. 黄雪娟. 华南理工大学, 2020(02)
• [4]石墨烯/氧化铝复合材料的可控制备及强韧化机理[D]. 梁磊. 哈尔滨工业大学, 2019(02)
• [5]高性能导电氮化硅基陶瓷刀具材料研究[D]. 张晶伟. 山东科技大学, 2018(03)
• [6]陶瓷基复合材料研究现状和应用前景[J]. 康永,豆高雅. 陶瓷, 2016(11)
• [7]陶瓷基复合材料界面增韧机理及复合新技术[J]. 康永,豆高雅. 上海建材, 2016(03)
• [8]陶瓷材料增韧机理的研究进展[J]. 王瑞凤,孙志平,邹丽艳,张国俊. 陶瓷学报, 2011(04)
• [9]多孔陶瓷支架材料补强增韧方法的研究进展[J]. 胡红涛,许国华,庄媛,昝青峰,叶晓健. 医学综述, 2011(21)
• [10]压电陶瓷的断裂韧性与晶粒尺寸及分布的关系[D]. 邢玉凯. 太原理工大学, 2011(08)

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