熔体自生原位增韧Al_2O_3/20%ZrO_2(3Y)复合陶瓷显微结构、裂纹扩展与增韧

通过在铝热剂中添加一定含量的微米ZrO2（3Y）粉末,以铝热燃烧、陶瓷/金属液相分离与熔体自生方式,制备出以t-ZrO2纳微米纤维镶嵌于其上且具有不同结构取向的蓝宝石棒晶为基的Al2O3/20%ZrO2（3Y）复合陶瓷,并结合力学性能测试,研究材料显微结构、裂纹扩展与增韧之间的内在联系.研究得出,陶瓷抗弯强度与断裂韧性分别达到1 086MPa与11.6 MPa·m05;存在于蓝宝石棒晶上大量、细密的低能异相界面（相界面间距为纳微米尺度）及高的残余压应力,使蓝宝石棒晶得以补强;具有高强度、高模量且长径比为6.0～8.0的蓝宝石棒晶及分布于其上的高残余压应力又迫使裂纹沿棒晶边界扩展,诱发裂纹偏转、棒晶桥接与拔出增韧机制,并相继伴随着t-ZrO2相变、α-Al2O3片晶桥接、Cr颗粒延性相塑变及相变诱发微裂纹多重增韧机制的协同作用,保证材料在保持高强度的同时,又具有高韧性与高的缺陷容忍性.

机械振动对燃烧合成Al_2O_3/ZrO_2(3Y)自增韧复合陶瓷的影响

基于燃烧合成制备Al2O3/ZrO2(3Y)自增韧复合陶瓷,研究了机械振动工艺对陶瓷显微结构与力学性能的影响。经研究发现,施以机械振动并相应提高振频,可通过引入惯性力,提高陶瓷熔体实际温度,促进陶瓷致密;并且,施以机械振动并相应提高振频,不仅因增大陶瓷熔体过冷度与凝固速率、细化棒晶组织并降低棒晶内纳微米纤维尺寸,使陶瓷得以强化,而且又可通过细化棒晶组织并增大其长径比,增强棒晶裂纹桥接与拔出效应,使材料韧性又得以提升。

Al_2O_3/ZrO_2(Y_2O_3)共晶复合陶瓷晶体生长机理

基于国外定向凝固氧化物/氧化物共晶复合陶瓷的晶体生长动力学行为的研究成果,阐述其动力学机制,分析动力学因素对微观结构形态的影响,探讨晶体生长热力学、动力学行为与微观结构形态之间的关系,同时结合以燃烧合成、快速凝固技术制备的新型高强韧Al2O3/ZrO2(Y2O3)共晶复合陶瓷,探讨共晶复合陶瓷在快速凝固条件下的晶体生长动力学行为。结合定向凝固与快速凝固两种晶体生长机制,得知过冷度、凝固界面前沿的温度梯度是影响晶体生长方式的重要因素,且受二者决定的凝固速率(即晶体生长速率)则决定材料的最终微观结构与形态。

ZrO_2含量对超重力下燃烧合成快速凝固Al_2O_3/ZrO_2(4Y)复合陶瓷的影响

采用超重力下燃烧合成技术，以快速凝固方式制备了Al2O3／ZrO2（4Y）复合陶瓷，用XRD、SEM与EDS等研究了ZrO2含量对复合陶瓷显微结构和性能的影响。结果表明：当复合陶瓷中ZrO2质量分数在34．1％～46．4％时，复合陶瓷的显微结构主要为棒晶；当质量分数为49．6％～53．7％时，其显微结构主要为形状不规则的ZrO2球晶；随着ZrO2含量的增加，复合陶瓷的相对密度逐渐降低（最高可达94．3％），而硬度和断裂韧度均呈先增高后降低的趋势，当ZrO2质量分数为42．6％时，硬度和断裂韧度均达到最高值，分别为13．1GPa和13．5MPa·m^1／2。

模板浸渍法制备Al2O3-ZrO2-Y2O3复合陶瓷纤维及其烧结工艺

以蚕丝为模板,Al、Zr、Y的硝酸盐乙醇溶液为浸渍液,采用模板浸渍法制备了Al2O3-ZrO2-Y2O3复合陶瓷纤维。采用FE-SEM,XRD,TG-DTG和DTA对复合陶瓷纤维的制备及烧结工艺进行了分析研究,实验结果表明所得陶瓷纤维保留了原蚕丝模板纤维的形貌,随着烧结温度的提高,蚕丝基体逐渐热解,纤维直径逐渐变小,在1200℃烧结后的主要相组成为:α-Al2O3、θ-Al2 O3、Y2 O3稳定t-ZrO2和m-ZrO2。

ZrO_2(Y_2O_3)对燃烧合成Al_2O_3/YSZ自生复合陶瓷显微结构与力学性能的影响

在铝热剂中引入不同量ZrO2(3Y)微米粉末,以燃烧合成技术,制备出Al2O3/10%、17%、21%、27%、33%ZrO2(3Y)系列成分自生复合陶瓷棒材。XRD分析与SEM观察显示:具有亚共晶成分的陶瓷熔体因以离异共晶方式生长,使得凝固后的陶瓷基体主要由α-Al2O3片晶、t-ZrO2枝晶或块晶组成;而随ZrO2(3Y)添加量的增多,陶瓷晶体生长方式又由离异共晶向共生共晶生长发生转化,共晶棒晶体积分数增多,使得Al2O3/33%ZrO2(3Y)的陶瓷基体以微米、亚微米t-ZrO2纤维镶嵌其上的Al2O3共晶棒晶和少量α-Al2O3片晶构成。经力学性能测试,系列陶瓷棒材的硬度与断裂韧度随ZrO2(3Y)添加量增多而逐渐升高,陶瓷棒材硬度最高值达15·7GPa,断裂韧度最高可达10MPa·m1/2。

Al_2O_3/ZrO_2(3Y)快速凝固共晶复合陶瓷显微结构、裂纹桥接与增韧

通过在铝热剂中添加适量的ZrO(23Y)粉末,借助燃烧合成及远离平衡态下的快速凝固方式,制备出Al2O3/ZrO2(3Y)共晶复合陶瓷。XRD,SEM与EPMA分析得出,陶瓷基体是由t-ZrO2纳微米纤维镶嵌于其上、长径比为10.0～14.0且呈随机生长的氧化铝棒晶及少量的α-Al2O3片晶构成。结合裂纹扩展路径与棒晶内部结构,可认为因共晶凝固所形成的、存在于蓝宝石棒晶上的高密度异相界面及因共晶两相热膨胀失配所诱发的高残余压应力,蓝宝石棒晶得以强化,因而陶瓷的主要增韧机制来自因蓝宝石棒晶裂纹桥接所产生的内部弹性应变能释放及因高能、大角度晶界解离所诱发的能量消耗,并伴随着因片晶摩擦互锁效应所造成的能量耗散过程。

大尺寸Al_2O_3/ZrO_2(4Y)共晶复合陶瓷板制备与结构转化

通过在燃烧合成过程中引入超重力,可以制备出大尺寸、低缺陷的Al2O3/ZrO2(4Y)共晶复合陶瓷板。XRD表明,超重力并不改变陶瓷的物相组成,其基体均由α-Al2O3、t-ZrO2与m-ZrO2组成;SEM分析显示,随着超重力的增大,镶嵌有t-ZrO2纤维的共晶团发生胞状组织向棒状组织的转化,且共晶团体积分数与长径比逐渐增大;力学性能测试表明,复合陶瓷相对密度、硬度与断裂韧度随超重力增大而增大,至225g(重力加速度)时均达到最高值,分别为97.8%、18.7GPa与15.6MPa.m1/2;并且,陶瓷的高断裂韧度是因棒状共晶团的裂纹偏转与桥接增韧及处于共晶团边界上的t-ZrO2微米球晶的相变增韧与微裂纹增韧机制所致。

Al_2O_3/ZrO_2(Y_2O_3)复合材料断裂过程中的相变及力学性能

用真空烧结方法制备了Al2O3/ZrO2(Y2O3)复合材料,分析了ZrO2(3Y)和ZrO2(2Y)含量对Al2O3基陶瓷抗弯强度、断裂韧性的影响.用XRD定量分析了含摩尔分数2％与3％Y2O3的ZrO2(2Y)与ZrO2(BY)在断裂过程中四方相转变成单斜相的相变量,用以阐明增韧机制.结果表明,在ZrO2含量为15％(体积分数)时,Al2O3／ZrO2(3Y)和Al2O3/ZrO2(2Y)复合材料的抗弯强度、断裂韧性分别达到825 MPa,7.8 MPa·m1/2。和738 MPa,6.7 MPa·m1/2,两者的性能差异主要来自不同的增韧机制.

ZrO2在β＂─Al2O3复合陶瓷中的作用

本文研究了四方和立方ＺｒＯ２在与Ｎａ－β＂－Ａｌ２Ｏ３的复合陶瓷中作为第二相所起的各种作用。结果说明ＺｒＯ２对复合陶瓷具有细化晶粒、改善显微结构、提高强度和断裂韧性的作用，与此同时也在一定程度上降低离子电导率。在提高力学性能方面，四方ＺｒＯ２除了具有与立方ＺｒＯ２相同的弥散颗粒的作用外，相变所起的作用也是很显著的。ＺｒＯ２－Ｎａ－β＂－Ａｌ２Ｏ３复合陶瓷是一种有应用价值的固体电解质材料。

Al_2O_3/ZrO_2快速凝固复合陶瓷显微结构与力学行为

通过在铝热剂中引入适量的ZrO2粉末，基于铝热氧化-还原反应、重力下陶瓷／金属液相分离，以大过冷条件下熔体共晶生长方式，制备出以ZrO2正方相纳微米纤维镶嵌于其上且长径比为8．0～12．0的蓝宝石棒晶及少量α-Al2O3片晶为基体的Al2O3／ZrO2自生复合陶瓷。通过材料力学性能测试与裂纹扩展路径观察，研究复合陶瓷显微结构与其力学行为之间的关系。结果表明，复合陶瓷的弯曲强度与断裂韧度分别达到1256MPa与13．2MPa·m^1/2；分布于蓝宝石棒晶上大量的面间距为纳微米尺度的Al2O3／ZrO2两相低能界面及残余压应力，使蓝宝石棒晶与陶瓷基体得以强化，迫使裂纹沿蓝宝石棒晶边界偏转；同时，因处于裂纹尖端尾部的蓝宝石棒晶桥接与拔出、α-Al2O3片晶桥接与摩擦互锁等效应，又使裂纹扩展呈现出强烈的稳定化倾向。

Al_2O_3/ZrO_2(Y_2O_3)复合材料的可靠性、磨损形态及其切削耐用度

研究了Al2O3和Al2O3/ZrO2(Y2O3)复合刀具材料的Weibull分布、磨损形态及其切削耐用度。用一元线性回归方法确定Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具的耐用度参数,分析切削条件对Al2O3/ZrO2(Y2O3)复合刀具材料寿命的影响。结果表明:Al2O3和含2%(摩尔分数)及3%Y2O3的ZrO2/Al2O3(Al2O3/ZrO2(2Y)及Al2O3/ZrO2(3Y))复合刀具材料Weibull模数的m值分别是5.6、10.2和11.7,说明Al2O3/ZrO2(3Y)陶瓷的可靠性最优;Al2O3/ZrO2(3Y)复合刀具切削40CrMoNiA合金钢的磨损形态主要来自磨粒磨损和粘结磨损,耐用度参数vc、f、ap的指数值分别为1.3、1.69和0.66,陶瓷刀具更适合高速切削,最大影响因素是进给量(f),在最佳切削条件下(vc=140 m/min,ap=0.5 mm和f=0.3 mm/r)切削耐用度为3 h。

Al_2O_3/Y_2O_3复合助剂对碳化硅蜂窝陶瓷烧结性能的影响研究

以碳化硅为主要原料,以羟丙基甲基纤维素(HPMC)为粘结剂,以Al2O3和Y2O3作为复合烧结助剂,采用挤出成型工艺制备出碳化硅多孔蜂窝陶瓷。探究了复合助剂Al2O3/Y2O3的加入量对蜂窝陶瓷物相组成和微观形貌的影响;研究了烧结温度对碳化硅陶瓷物相、微观形貌以及孔隙率、线收缩率、体积密度、抗压强度的影响规律。结果表明:Al2O3/Y2O3复合助剂的加入量增大和烧结温度的提高,陶瓷液相量增多;在钇铝石榴石(YAG)的共晶点1760℃附近,更易于析出结晶形成YAG相。烧结温度升高,陶瓷收缩率增大;体积密度和抗压强随烧结温度变化规律接近;体积密度和抗压强度在1750℃达到最大值分别为1.8 g/cm3和14.09 MPa。

超重力对燃烧合成Al_2O_3/ZrO_2自生复合陶瓷的影响

通过向铝热剂中引入ZrO2(4Y)粉末,在超重力下以燃烧合成方式,制备出Al2O3/ZrO2(4Y)自生复合陶瓷。XRD分析与SEM图像显示,陶瓷基体由亚微米t-ZrO2纤维成排镶嵌其上、取向各异的棒状共晶团及Al2O3块晶与ZrO2颗粒分布其上的细小共晶团边界构成。相比于重力下制备的同成分复合陶瓷,因超重力促进燃烧过程、提高燃烧速率并加快液相传质速率,可显著促进液态金属/陶瓷液相/气相三者分离,并使陶瓷熔体成分更趋均匀化,故材料致密度得以大幅提高,相对密度达98.3%。陶瓷基体微观组织更为纯净、细小、均匀,Al2O3/ZrO2(4Y)共晶团体积分数高达96.8%,与重力下燃烧合成的同成分复合陶瓷比较,力学性能得以显著提升,维氏硬度、断裂韧度及弯曲强度分别提高了37.2%、56.4%与69.1%。

超重力下合成Al_2O_3/YSZ复合陶瓷的组织与性能

通过在铝热剂中引入ZrO2(4Y)粉末,进行超重力下燃烧合成,制备出Al2O3/YSZ系列成分自生复合陶瓷板材,并对陶瓷结构转变与力学性能进行了研究。共晶成分自生复合陶瓷基体主要是以亚微米ZrO2纤维镶嵌于Al2O3上的共晶团构成,亚共晶成分自生复合陶瓷因发生离异共晶生长,其基体为ZrO2相分布于其边界上的Al2O3晶构成,过共晶成分自生复合陶瓷基体则为ZrO2正方相细小球晶构成。共晶成分的自生复合陶瓷因共晶团基体上高残余压应力与小尺寸共晶团边界,其硬度达至最高值16.7GPa;而过共晶成分的自生复合陶瓷因ZrO2正方相球晶相变增韧及相变诱发微裂纹增韧,其断裂韧度达至最大值14.6MPa.m21。

真空烧结法制备ZrO_2(Y_2O_3)／Al_2O_3复合材料

用真空烧结工艺制备了ZrO2(Y2O3)／Al2O3复合材料,分析了ZrO2(3Y)和ZrO2(2Y)含量对Al2O3基陶瓷烧结相对密度、显微结构及相变行为的影响．结果表明: ZrO2(Y2O3)的含量对t-ZrO2→m—ZrO2相变量有影响,ZrO2(3Y) 和ZrO2(2Y)含量(体积分数)分别为15％和20％时,烧结试样相对密度分别为99．6％和98．5％,ZrO2的晶粒平均尺寸分别为1．1μm和1．8 μm,样品断裂前后的最大相变量(体积分数)分别是Vt→m=44％和Vt→m=18％．

射频磁控溅射制备HA(+ZrO_2+Y_2O_3)／Ti6Al4V复合生物活性涂层

采用射频磁控溅射法制备了HA(+ZrO2+Y2O3)／Ti6A14V生物复合涂层．借助于XRD、SEM、FTIR和AFM等对溅射涂层的相组成、微观形貌和界面结合进行了研究,并以模拟体液试验探讨了涂层的生物活性．实验结果表明:磁控溅射的复合涂层呈非晶态,经过退火处理,可以使其转化为晶态;复合涂层的微观表面凹凸不平,并呈现网状结构和较多的孔隙,其孔隙直径约为0．5-2．0μm,孔隙面积占涂层表面积的30％-40％;HA(+ZrO2+Y2O3)／Ti6Al4V复合涂层的界面结合强度随(ZrO2+Y2O3)复合颗粒含量的增大和溅射功率的提高而增强,最高可达59．6MPa．复合涂层在模拟体液中浸泡一段时间后,表面覆盖一层新生物质-含有CO32-的类骨磷灰石,其晶粒非常小,它与自然骨中无机相的结构成分相似,表明复合涂层具有良好的生物活性．

ZrO_2(3Y)包裹Al_2O_3纳米复合粉体的制备

以pH值缓冲溶液为沉淀剂,用非均匀成核和液相共沉淀相结合的方法合成出了ZrO2(3Y)包裹Al2O3纳米复合粉体.用XRD、TEM对所制备粉体进行了表征.研究表明:加入分散剂使Al2O3悬浮液的等电点向酸性区移动,Zeta电位绝对值增大,其中pH值为9.56对应的Zeta电位绝对值最大,悬浮液最稳定.Al2O3悬浮液pH值为9.5,ZrOCl2和YCl3混合溶液浓度为0.2mol·L-1时前驱体的收得率最高.600℃煅烧后得到的粉体中只有αAl2O3、tZrO2两种物相,在Al2O3颗粒表面附着10nm左右的ZrO2(3Y)颗粒.

ZrO_2粉料在Al_2O_3-SiC纳米复合陶瓷中的作用

采用不同粒径的ZrO2粉料增强增韧Al2O3-SiC纳米复合陶瓷,利用无压烧结制备出了致密的Al2O3-ZrO2(3Y)-SiC纳米复合陶瓷.对不同粒径的ZrO2粉料在Al2O3-SiC纳米复合陶瓷中所起的作用进行了研究,结论为ZrO2粉料的粒径是影响烧结温度的重要因素,添加纳米级的ZrO2可以降低烧结温度100℃以上.断裂表面的SEM图像表明:穿晶断裂是Al2O3-ZrO2-SiC纳米复合陶瓷的主要断裂模式,这是所制备纳米复相陶瓷抗热震性大幅提高的主要原因.

Al_2O_3/YAG共晶自生复合陶瓷的激光熔凝实验研究

开展了Al_2O_3/YAG共晶自生复合陶瓷的激光熔凝制备技术的实验研究,研究结果表明:(1)激光扫描速率与功率密度的匹配对激光熔凝实验起着决定性的作用。调整工艺参数,可以获得表面光滑、平整、致密的熔凝层,且无宏观孔隙及裂纹。随扫描速率的增大,熔凝层变薄;(2)激光熔凝Al_2O_3/YAG共晶自生复合陶瓷由Al_2O_3相和YAG相两相组成,具有典型的快凝层状共晶组织,共晶间距非常细小。