（机械制造及其自动化专业论文）氧化铝基纳米陶瓷刀具材料界面分子动力学模拟研究.pdf

；?；，；参 ad i s s e r t a t i o ns ub mi t t e df o r t h ea p p l i c a t i o no f m a s t e rd e g r e eo fe n g i n e e r i n gs c i e n c e i i l ll l ll l ll lii l ll l ll ll y 17 914 9 2 t h em o l e c u l a rd y na m i c ss i m u l a t i o n r e s e a r c ho ni n t e r f a c eo f a 1 2 0 3m a t r i x n a n o c e r a m i ct o o lm a t e r i a l s c a n d i d a t e ： z h a n gw e i s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n g c h u a n z h e n s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 ；t；一：， 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期：z ! ! ! ：堡鲨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 一一期一鲨! 皇：吁：夕 几录 目录 摘要1 - r a b s t r a c t 。v 第1 章绪论1 1 1 纳米复合陶瓷刀具材料模拟的研究现状2 1 1 1 纳米复合陶瓷刀具材料的研究现状2 1 1 2 计算机模拟技术研究现状一4 1 1 3 陶瓷刀具材料模拟的研究现状一6 1 2 界面模拟的研究现状7 1 2 1 陶瓷刀具材料界面的研究现状7 1 2 2 氧化铝界面的研究现状。8 1 3 本文的研究目的、意义和主要研究内容l o 1 3 1 研究目的及意义l0 1 3 2 主要研究内容1 l 第2 章分子模拟计算的理论与方法1 3 2 1 第一性原理方法1 4 2 1 1 基木概念14 2 1 2 密度泛函理论1 5 2 i 3 k o h n s h a m 方程及自洽场计算一l7 2 1 4 j ! ! l 势l8 2 1 5 c a s t e p 方法l9 2 2 分子力学方法2 l 2 2 1 分子力学的基本原理2 1 2 2 2 能晕最小化算法2l 2 3 分子动力学法2 3 2 3 1 分子动力学法的基本原理2 3 2 3 2 分子动力学模拟的基本步骤2 4 2 3 3 本文的分子动力学模拟2 7 2 4 本章小结2 8 第3 章a a 1 2 0 3 表面结构的量子力学模拟。2 9 3 1 a - a 1 2 0 3 ( 0 11 2 ) 表面层厚度的模拟2 9 3 1 1 模拟模型建市2 9 3 1 2 模拟参数设置3l 3 1 3 儿何结构优化3 2 3 1 4 模拟结果及分析3 4 3 2 a a 1 2 0 3 - o ( 0 1l2 ) 的袭血结构模拟3 7 3 2 1 模拟模型建立3 7 l l i 东大学硕上学位论文 i 3 2 2 模拟参数设置3 7 3 2 3 几何结构优化3 8 3 2 4 模拟结果及分析3 9 3 3 木章小结3 9 第4 章 n a 1 2 0 3 1 l - s i c 界面的分子动力学模拟4 l 4 1 p n q 种不同位向的0 t a 1 2 0 3 1 b s i c 界面分子动力学模拟4 l 4 1 1 仅- a 1 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) p s i c ( 1 l1 ) 界面分子动力学模拟。4 l 4 1 2 0 【a 1 2 0 3 ( 0 1 1 2 ) 1 b s i c ( 0 0 1 ) 界面分子动力学模拟4 6 4 1 3 0 1 a i 2 0 3 ( 0 11 2 ) 1 3 s i c ( 2 1 1 ) 界面分子动力学模拟4 8 4 1 4 f t a 1 2 0 3 ( 0 1 12 ) 4 3 s i c ( 31 0 ) 界面分子动力学模拟5 0 4 2 q a 1 2 0 3 d s i c 界面结合性能分析5 3 4 2 1 仅一a 1 2 0 3 4 3 s i c 界面结合能的计算5 3 4 2 2 c 【a 1 2 0 3 d s i c 界面微观结构对界面结合强度的影响5 5 4 3 旺a 1 2 0 3 1 3 s i c 的实际界面结合情况5 8 4 4 本章小结6 0 结论与展望6 l 参考文献。6 3 致谢t ；9 t a b l eo fc o n t e n t s t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e 1 ， a b s t r a c ti n e n g l i s h v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n i i ir e s e a r c hs t a t u so ft h es i m u l a t i o no fn a n o c o m p o s i t ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l s 2 1 1 1r e s e a r c hs t a t u so fn a n o c o m p o s i t ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l s 2 1 1 2r e s e a r c hs t a t u so ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y 4 1 1 3r e s e a r c hs t a t u so fs i m u l a t i o no ft h ec e r a m i ct o o im a t e r i a l s 。6 1 2r e s e a r c hs t a t u so fi n t e r f a c es i m u l a t i o n 7 1 2 1r e s e a r c hs t a t u so ft h ei n t e r f a c eo fc e r a m i ct o o lm a t e r i a l s 7 1 2 2r e s e a r c hs t a t u so ft h ei n t e r f a c eo fa 1 2 0 3 8 1 3r e s e a r c hp u r p o s e s i g n i f i c a n c ea n dm a j o rc o n t e n t so ft h et h e s i s 10 1 ：；ir e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 1 0 1 3 2r e s e a r c hm a j o rc o n t e n t s il c h a p t e r2p r i n c i p l e sa n dm e t h o d s o fm o l e c u l a rs i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n 1 3 2 1t h ef i r s t - p r i n c i p l e s 1 4 2 i ib a s i cc o n c e p t s 1 z i 2 1 2 d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y 1 5 2 i 3t h ek o h n - s h a me q u a t i o na n dt h es e l f - c o n s i s t e n tf i e l dc a l c u l a t i o n 。i7 2 i 4p s e u d op o t e n t i a lm e t h o d s 1 8 2 1 5c a s t e pm e t h o d 1 9 2 2m o l e c u i a rm e c h a n i c sm e t h o d 2 l 2 2 1b a s i cp r i n c i p l eo fm o l e c u l a rm e c h a n i c s 2 1 2 2 2e n e r g ym i n i m i z a t i o nm e t h o d 2 1 2 3m o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d 2 3 2 3 ib a s i cp r i n c i p l eo fm o l e c u l a rd y n a m i c s 2 3 2 3 2b a s i cs t e po ft h em o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n 2 4 2 3 3m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o ni nt h i st h e s i s 2 7 2 4c o n c l u d i n gr e m a r k s ：1 8 c h a p t e r3q u a n t u mm e c h a n i c ss i m u l a t i o no ft h ea a 1 2 0 3s u r f a c es t r u c t u r e 2 9 3 1s i m u l a t i o no ft h ea - a 1 2 0 3 ( 01 i2 ) s u r f a c et h i c k n e s s 2 9 1 l l 东大学硕上学位论文 3 1 1s i m u l a t i o nm o d e l i n g 2 9 3 1 2 s e t t i n go fs i m u l a t i o np a r a m e t e r s 3 1 3 1 3 g e o m e t r ys t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 3 2 3 1 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 4 3 2s u r f a c es t r u c t u r es i m u l a t i o no ft h ea a 1 2 0 3 - o ( 0 11 2 ) s u r f a c e 。3 7 3 2 1s i m u l a t i o nm o d e l i n g 3 7 3 2 2 s e t t i n go fs i m u l a t i o np a r a m e t e r s 3 7 3 2 3 g e o m e t r ys t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 3 8 3 2 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 9 3 3c o n c l u d i n gr e m a r k s 3 9 c h a p t e r4m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h ei n t e r f a c e so fa - a 1 2 0 3 d s i c 4 1 4 1m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no ff o u rk i n d so fa - a 1 2 0 3 p - s i c i n t e r f a c e s 。4 1 4 1 1m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no f0 【- a 1 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) 1 j s i c ( ! i1 1i n t e r f a c e 4 1 4 1 2m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no f 仪- a i 2 0 3 ( 0 11 2 ) 1 3 - s i c ( 0 0 1 ) i n t e r f a c e 4 6 4 i 3m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no f0 【- a 1 2 0 3 ( 0112 ) p - s i c ( 211 ) i n t e r f a c e 4 8 4 1 4m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no fq a 1 2 0 3 ( 0i1 2 ) 1 3 s i c ( 3l0 1i n t e r f a c e 5 0 4 2a n a l y s i so ft h ei n t e r f a c i a lb o n d i n gp r o p e r t yo fa - a 1 2 0 9 1 3 - s i ci n t e r f a c e s 5 3 4 2 1i n t e r f a c eb o n d i n ge n e r g yc a l c u l a t i o no fa a 1 2 0 3 p - s i ci n t e r f a c e 5 3 4 2 2t h ee f f e c to fi n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r eo nt h ei n t e r f a c i a ib o n d i n gs t r e n g t ho f t h e 旺一a 1 2 0 3 p s i c 5 5 4 3t h ea c t u a li n t e r f a c i a lb o n d i n gs t a t u so fa - a 1 2 0 3 p s i c 5 8 4 4c o n c l u d i n gr e m a r k s 6 ( ) f i n a ic o n c i u s i o n sa n df u t u r ew o r k 6 l r e f e r e n c e s 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 9 i v ； 摘要 氧化铝基纳米陶瓷刀具材料界面分子动力学模拟研究 摘要 利用计算机模拟技术，对纳米陶瓷刀具材料的微观组织演变进行模拟，可为陶 瓷刀具材料的设计制备和力学性能研究提供必要的理论指导，研究结果对开发新 型陶瓷刀具材料具有重要的理论意义。 本文基于m a t e r i a ls t u d i o 材料模拟软件平台，建赢了五种最外层原子为a l 原 子、4 i 同表面层厚度的a a 1 2 0 3 a i ( 0 11 2 ) 表面原子结构模型和最外层原子为o 原子 的a a 1 2 0 3 o ( o lj 2 ) 表面原子结构模型，采用量子力学c a s t e p 模块进行模拟，计 算了各表而原了结构模型的表而能。结果表明，伍a 1 2 0 3 a i ( 0 11 2 ) 表而的表而能随 着表面层厚度的增加而增大，并在表面层厚度约为0 7 1 n m 时达到最大值1 7 6 j m 2 。 a a 1 2 0 3 o ( o l1 2 ) 表面的表血能为3 3 5 j m 2 ，该表曲能比a a 1 2 0 3 a l ( 0 11 2 ) 表面的表 而能大，凶此仅a 1 2 0 3 a i ( 0 11 2 ) 表而稳定性较好。而口a 1 2 0 3 一o ( o l1 2 ) 表而层。原 子活性较大，易与异质材料相结合并形成稳定界面。 建立了a a 1 2 0 3 ( 0 0 01 ) 1 3 - s i c ( ! 1 1 ) 、a a 1 2 0 3 ( 01 l2 ) 3 - s i c ( 0 01 ) 、旺- a 1 2 0 3 ( 0 1l 2 ) 1 3 s i c ( 2 11 ) 和a - a 1 2 0 3 ( 0 11 2 ) 1 3 s i c ( 3 1 0 ) 四种界而结构模型，利用分子动力学方法 进行了模拟。模拟结果表明，四种界面结构的界面结合能由大到小的顺序依次为： a - a 1 2 0 3 ( 0 1 l2 ) 1 5 一s i c ( 310 ) a - a 1 2 0 3 ( 01 l2 ) 3 - s i c ( 0 01 ) a a 1 2 0 3 ( 0 0 01 ) f l - s i c ( ! 1 1 ) a a 1 2 0 3 ( 0 11 2 ) 1 3 一s i c ( 2 1 1 ) 。分析了界面结合能对界面结合强度的影响，结果表明，界 面键合作用方式的多样化有利于提高界面结合的稳定性，界面成键数量越多，键 能越大，界面结合强度则越高；界面变形率越小，界面稳定性越好，界面结合强 度越高。在沿品断裂时，裂纹更易沿着界面结合能小，即界面结合强度弱的界面 扩展。 模拟结果表明，在a 1 2 0 3 s i c 纳米复相陶瓷材料中，基体a 1 2 0 3 和a 1 2 0 3 之间 木研究得剑了囡家杰青年科学基金资助( 5 0 6 2 5 5 1 7 ) v i 东大学硕l j 学位沦文 的晶界及基体a 1 2 0 3 和添加相s i c 之间的界面都彳i 存在液相，相邻晶粒的晶格大多 互相匹配，基体a 1 2 0 3 与添加相s i c 之间结合状态较好，界i f i 结合能和界卣结合强 度较高，其断裂方式以穿品断裂为主。这与已有的实际a 1 2 0 3 s i c 纳米复相陶瓷材 料界面微观结构的研究结果基本一致，在一定程度卜证明了模拟模犁的正确性。 关键词纳米陶瓷刀具；量子力学模拟；表面能；分子动力学模拟；界面结合能 i 、； a b s t r a c t t h em o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nr e s e a r c ho ni n t e r f a c eo f a 1 2 0 3m a t r i xn a n o c e r a m i ct o o lm a t e r i a l s a b s t r a c t u s i n gc o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , t h e m i c r o s t m c t u r ee v o l u t i o no f n a n o c e r a m i ct o o lm a t e r i a l sc a nb es i m u l a t e dt og u i d et h ed e s i g n ，f a b r i c a t i o na n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yr e s e a r c ho fc e a m i ct o o lm a t e r i a l s t h er e s e a r c hr e s u l t sa r eo f i m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o pn o v e lc e r a m i ct o o lm a t e r i a l s b a s e do nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fm a t e r i a ls t u d i o ，f i v ek i n d so fa 1 2 0 3s u r f a c e m o d e l s ，s u c ha st h em o d e lw i t ht h eo u t e r m o s ta t o m so fa i ，t h es u r f a c ea t o ms t r u c t u r e m o d e lo fg t - a 1 2 0 3 - a i ( 0112 ) w i t hd i f f e r e n to fs u r f a c el a y e r , a n dt h es u r f a c ea t o m s t r u c t u r em o d e lo fa - a 1 2 0 3 一o ( oli2 ) w i t ht h eo u t e r m o s ta t o m so fo ，h a v eb e e n e s t a b l i s h e di nt h et h e s i s t h es i m u l a t i o na r ec a r r i e do u tu s i n gt h ec a s t e ps i m u l a t i o n m o d u l eo fq u a n t u mm e c h a n i c sa n dt h es u r f a c ee n e r g yo fv a r i o u sk i n d so fa t o ms t r u c t u r e a r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f r a c ee n e r g yo ft h ea a 1 2 0 3 - a i ( 01l2 ) i n c r e a s e sw i t ha ni n c r e m e n ti nt h es u r f a c el a y e rt h i c k n e s s ，a n dg e tt h em a x i m u mi 7 6 j m 2w h e nt h es u r f a c el a y e rt h i c k n e s si sa b o u t0 71n m t h es u r f r a c ee n e r g yo ft h e 伍一a1 2 0 3 - o ( 0112 ) i s3 3 5j m 2w h i c hi sg r e a t e rt h a nt h a to fa a i 2 0 3 - a i ( 01i2 ) s u r f a c e c o n s e q u e n t l y , t h es u r f a c eo fa - a 1 2 0 3 一a i ( 0112 ) i sm o r es t a b l e b u tt h es u r f a c ea c t i v i t y o f o x y g e ne l e m e n to nt h es u r f a c eo f t h eo t - a 1 2 0 3 一o ( oi12 ) i sg r e a t e ra n dt h u st h es u r f a c e o fo t - a 1 2 0 3 - o ( ol12 ) c a ne a s i l yc o m b i n ew i t ht h es u r f a c eo fa n o t h e rm a t e r i a la n df o r m s t a b l ei n t e r f a c e f o u rk i n d so f i n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r em o d e l s ，s u c ha s0 t - a 1 2 0 3 ( 0 0 0 i ) p - s i c ( 11i ) 、 o t a 1 2 0 3 ( 011 2 ) 1 3 一s i c ( 0 0 ) 、a a 1 2 0 3 ( 0112 ) 1 3 - s i c ( 211 ) a n d旺a 1 2 0 3 ( 0112 ) 1 3 - s i c ( 3l0 ) ， h a v eb e e ne s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e dw i t hm o l e c u l a rd y n a m i c s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h eo r d e ro ft h ei n t e r f a c i a lb o n d i n ge n e r g yf o rt h ef o u rk i n d so fi n t e r f a c e si s s u p p o s e db yn a t i o n a lo u t s t a n d i n gy o u n gs c h o l a rs c i e n c ef o u n d a t i o no f n s f c ( 5 0 6 2 5 5 17 ) v n l 东大学硕上学位论文 0 【a1 2 0 3 ( 01 12 ) 1 3 一s i c ( 3lo ) a - a 1 2 0 3 ( 0112 ) 1 3 一s i c ( 0 01 ) a - a 1 2 0 3 ( 0 0 01 ) p s i c ( 111 ) a - a 1 2 0 3 ( 0112 ) 1 b - s i c ( 211 ) t h ee f f e c to ft h ei n t e r f a c i a lb o n d i n ge n e r g yo ni n t e r f a c i a l b o n d i n gs t r e n g t hi sa n a l y z e d i ti ss h o w nt h a tt h ei n t e r f a c i a lb o n d i n gm o d ed i v e r s i t yc a n i m p r o v et h ei n t e r f a c i a lb o n d i n gs t a b i l i t y , a n dt h em o r et h en u m b e ro fi n t e r f a c eb o n d ，t h e g r e a t e rt h eb o n d i n ge n e r g ya n dt h u st h eh i g h e rt h eb o n d i n gs t r e n g t h t h ei n t e r f a c e s t a b i l i t ya n dt h ei n t e r f a c i a lb o n d i n gs t r e n g t hi sg e t t i n gb e h e rw i t ht h er e d u c t i o no f t h e i n t e r f a c ed e f o r m a t i o nr a t e a n da l s od u r i n gt h ep r o c e s so ft h ei n t e r g r a n u l a rf r a c t u r e ，t h e c r a c k e sw i l le a s i l yp r o p a g a t ea l o n gt h ew e a ki n t e r f a c ew i t hal o w e ri n t e r f a c i a lb o n d i n g e n e r g ya n ds t r e n g t h t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sn ol i q u i dp h a s ei nt h eg r a i ni n t e r f a c e b e t w e e na 1 2 0 3a n da 1 2 0 3 ，a n dt h ep h a s ei n t e r f a c eb e t w e e na 1 2 0 3a n ds i co ft h e m a t e r i a la 1 2 0 3 s i c t h ec r y s t a ll a t t i c eo ft w oa d j a c e n tg r a i n si sw e l lm a t c h i n ge a c h o t h e r , a n dt h ei n t e r f a c eb o n d i n gs t a t u sb e t w e e na 1 2 0 3a n ds i ci s b e t t e ra n dt h e i n t e r f a c i a lb o n d i n ge n e r g ya n db o n d i n gs t r e n g t hi sh i g h er t h u st h ef r a c t u r em o d eo f a 1 2 0 3 s i c i s i n t r a g r a n u l a rf r a c t u r e t h e s e r e s u l t sa r ei nw e l la g r e e m e n tw i t ht h e p r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t so f a l 2 0 3 s i cb yo t h e rr e s e a r c h e r sa n dv e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h e e s t a b li s h e dm o d e l si nt h et h e s i so nc e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s n a n o c e r a m i ct o o l ；q u a n t u mm e c h a n i c ss i m u l a t i o n ；s u r f a c ee n e r g y ； m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ；i n t e r f a c i a lb o n d i n ge n e r g y 第1 章绪论 第1 章绪论 切削加工是机械制造中最基本、最可靠的加工手段【l l ，而刀具的性能是影响切 削加工效率、加工精度和加工表面质量等的决定性因素之一。根据c i r p 的资料， 由丁刀具材料的改进，加工时允许的切削速度几乎每隔1 0 年即提高1 倍。在现代化 的加工过程中，提高加工效率的最有效方法仍然是采用高速切削加工技术【2 1 。 传统刀具冈其局限性已无法胜任现代科技发展所需要的各种高强、高硬及难 加工等工程材料的切削加工，而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳 定性，在高速切削领域和切削难加工材料方面显示出了传统刀具无法比拟的优势。 新型陶瓷刀具不断m 现，预计2 0 年后，世界范围内陶瓷刀具在机械加工刀具中所 占比重将达l5 2 0 i 引。 有专家认为，陶瓷y j 具材料是二1 _ 一世纪最有希望、最有竞争力的刀具材料， 它的发展有可能引起切削加工技术的第三次革命。如表1 1 所示，刀具的发展人体 经历了碳素工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷及超硬材料等几个阶到4 1 。目前，高 速钢和硬质合金刀具仍是应最广泛的刀具材料。但高速钢刀具在高温+ 卜的切削性 能已经达到极限；硬质合金刀具的红硬性仅为8 0 0 1 0 0 0 ，限制了进一步提高其 切削速度的- 口j 。能性。i 叮陶瓷刀具具有高硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性能以及优 异的高温力学性f 5 】，与金属亲和力小，摩擦系数较低，不易与金属发生粘结，并且 化学稳定性好。 陶瓷刀具材料的丰要原料氧化铝等是地壳中最丰富元素，可以解决高速钢与 硬质合金的主要成分钨资源在全球范围内的枯竭问题1 6 8 】。随着高科技的迅猛发展， 精密、超精密、超高速切削和绿色加工等先进制造技术对刀具材料提出了更高的 要求，陶瓷刀具必将成为2 i 世纪最重要的刀具材料1 9 1 。 传统陶瓷刀具材料一般是通过热压烧结技术制备的，为了提高陶瓷刀具材料 的断裂韧度，必须不断调整原材料的配比和烧结j i ：艺，即采用“试凑”法研制陶 瓷刀具材料，不但费时费力，而且在断裂韧度提高的同时，有时会降低材料的硬 度和耐磨性，因此正确预测其力学性能便成为开发新犁复相陶瓷刀具材料的关键 研究内容之一。但陶瓷刀具材料的力学性能不但受材料中各组分性能及其体积含 东大学硕上学位论文 量的影响，而且与其制备工艺密切相关，冈此准确预测其力学性能较为困难。 表1 i 刀具材料的发展进程【4 l 为了获得具有良好综合力学性能的复相陶瓷刀具材料，计算机模拟技术愈米 愈受到乖视，并且取得一定成果h o 。运用计算机模拟技术进行陶瓷刀具材料研究 开发的重要方法之一。 i i 纳米复合陶瓷刀具材料模拟的研究现状 i i 1 纳米复合陶瓷刀具材料的研究现状 所谓纳米陶瓷是指陶瓷材料的显微结构中，品粒、晶界以及它们之间的结合 都处于纳米尺寸水平，一般只针对单相陶瓷而言。但是由于单组分纳米陶瓷材料 晶粒在烧结过程中极易长大，因此往往存在着致密化与晶粒长大之间的矛盾，很 难得到晶粒未长大的致密纳米固体材料，使其失去了纳米材料的特有性能。但是 2 第1 章绪论 将纳米第二相颗粒分散于另一异质的基体组分中，在致密化过程中晶粒异常长大 的缺点就可以被克服，使纳米颗粒在基体组分中保持其尺寸，即所谓的纳米复合 陶瓷材料。 已有的研究表明，控制材料的弥散相结构微细化，晶粒尺j 从微米级_ 亚微 米级一纳米级，可使材料的强度、断裂韧度得到提高。新原浩一】从微观结构角 度将纳米陶瓷复合材料分为四类，如图1 1 所示，第一类为晶粒内纳米陶瓷复合材 料，即纳米粒子丰要分布于陶瓷基体晶粒内部，称为晶内型；第二类为品粒问纳 米陶瓷复合材料，即纳米粒子主要分布于基体品粒品界，称为品问型：第三类为 前两种类犁共存的混合犁纳米陶瓷复合材料，称为晶内晶间型；第四类为纳米纳 米陶瓷复合材料，即基体晶粒也保持为纳米尺寸。 ( a ) 品内型 ( b ) 品问型 ( c ) 晶内晶问混杂趔 ( d ) 纳米纳米型 图1 i 纳米陶瓷复合材料的分类【1 1 】 与传统陶瓷