氧化铝莫来石复合陶瓷的制备与性能研究

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1、摘要利用SiC和趟203纳米粉末在空气中反应烧结制备了氧化铝／O．18～8．72vol％莫来石复合陶瓷。研究了莫来石(3A1203'2Si02)的生长行为，成分组成、微观结构、应力状态以及力学性能和耐磨性能。运用x射线衍射(XRD)的良2口扫描、外标法和sin2姚分别对样品进行定性、定量相分析和表面残余应力测量；采用扫描电子显微镜(SEM)观察了样品的表面形貌、断口形貌和磨损面；样品的微观结构利用透射电子显微镜(TI!M)进行分析；样品的杨氏模量通过共振法测量，样品的断裂强度通过三点弯曲试验测试

2、，采用压痕法测量样品的硬度和断裂韧性，运用纳米硬度计测试了样品的纳米硬度和微观摩擦行为；样品的耐磨性通过磨料磨损试验测试。研究结果表明，SiC颗粒在1400℃以下被氧化成Si02，Si02在1450---1600℃与A1203反应生成莫来石。莫来石生长激活能为867～891kJ／tool，莫来石开始生长温度和生长激活能随SiC含量增加而降低。粒度较大的莫来石颗粒主要分布在基体晶界上，而粒度较小的莫来石颗粒多分布在基体晶粒内部，较大含量的莫来石能够阻碍基体晶粒的生长。氧化铝／莫来石复合陶瓷的基体中

3、的拉应力随着莫来石含量的增加而增加，应力状态的改变促使其断裂方式发生转变。氧化铝／莫来石复合陶瓷的断裂强度和硬度比氧化铝陶瓷分别提高20％和15％左右，纳米硬度提高53％，断裂韧性略有下降。相对于氧化铝陶瓷，氧化铝／莫来石复合陶瓷的耐磨性有大幅提高，在载荷为2N条件下能提高3倍以上。建立了莫来石含量、基体应力和穿晶断裂比率三者的定量关系。详细分析了成分组成、应力状态、断裂方式和内部临界裂纹长度等对氧化铝／莫来石复合陶瓷力学性能和耐磨性能的作用机理。关键词氧化铝；莫来石；复合陶瓷；反应烧结：残余应

4、力；力学性能；耐磨性燕山大学工学硕士学位论文AbstractAlumina／0．18～8．72v01．％mullitecompositeswerefabricatedbyreactionsinteringofSiCandA1203nano—powderinair．Growthbehaviorofmullite(3A1203’2Si02)，composition，microstructure，stressstate，mechanicalpropertiesandwearresistancewere

5、investigated．X—raydiffractionwasusedinthequalitativeandquantitativephaseanalysisaswellasthemeasureofsurfaceresidualstress．Scanningelectronmicroscope(SEM)WaSusedtoobservethesurfacetopography,fracturesurfacetopographyandabrasivesurface。Transmissionelec

6、tronmicroscope(TEM)wasusedtoanalyzethemicrostructure．Young’Smoduluswasmeasuredbyresonancemethod．Fracturestrengthwasmeasuredthroughthree—pointbendtests，hardnessandfracturetoughnessWaSmeasuredbyindentationmethod，andthenanohardnessandnanoscratchcharacte

7、risticsweremeasuredthroughnanoindentation，Findingswereasfollows，SiCparticleswereoxidatedtoSi02below1400℃，theSi02togetherwithA1203werethenenteredintotheprecipitationreactionofmullitewhichcommencedat1450～1600℃．Theinitialtemperatureofmullitizationaswell

8、asitsactivationenergywhichrangefrom867～891kJ／moldeclinedasthevolumeofSiCcontentincreased．n他coarsemulliteparticlesdistributedonthematrixgrainboundarywhilethefineronesmainlyembeddedinthematrixgrains．Thegraingrowthcouldbesuppressedbymulliteparticlesifth