（应用化学专业论文）钢纤维增韧陶瓷基复合材料性能研究.pdf

武汉理 大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，各个领域对材料的要求也在不断提高。传统材 料已经越来越无法满足需要，材料的复合化是提高其原有性能的一条良好途径。 作为三大材料之一的陶瓷材料，如何解决其固有的脆性是陶瓷基材料复合的关 键。目前，陶瓷基材料的复合增韧方法很多，并且取得了很大的成果。但是采 用钢纤维作为增强相联合其他增韧因素协同增韧陶瓷基复合材料的研究还比较 少见。 本文采用了较成熟的陶瓷基体砧2 0 3 z r 0 2 t i 0 2 ，加以少量的b n 和黏土作 为助剂，以钢纤维为增韧相，以一定的升温制度在1 2 0 0 下烧结制备钢纤维增 韧陶瓷基复合材料。分别从成型因素( 包括粘结剂和成型压力) 、主基体配比、 粉料粒径等方面入手，通过一定的测试分析手段讨论了陶瓷基体因素对钢纤维 增韧陶瓷基复合材料性能的影响。陶瓷主基体中物质之间的互相作用，粉料粒 径的大小都对材料性能好坏起到一定程度的影响。最后实验结果为，在确定成 型因素并且选择了适当粒径的a 1 2 0 3 ( 5 0 z m ) 后，当a 1 2 0 3 z r 0 2 t i 0 2 质量比为 5 0 ：1 5 ：1 5 时，材料有相对较好的性能，最高抗压强度和抗弯强度分别为 2 7 3 6 2 m p a 和7 3 6 8 m p a ，此时钢纤维的含量为1 0 ( w t ) 。 在确定陶瓷基体的基础上提高钢纤维的含量，分析讨论钢纤维对材料增强 机理。发现随着钢纤维含量的增加，材料的力学性能有一个先上升后衰减的过 程；同时，长径比大的钢纤维增强效果要好于长径比小的钢纤维。当钢纤维含 量为2 4 ( w t ) 时，材料的力学性能最好，抗压强度和抗弯强度分别达到 3 6 4 5 6 m p a 和1 0 3 5 4 m p a 。将钢纤维的含量从2 4 ( w t ) 减少到1 8 ( w t ) ，然 后分别添加6 ( w t ) 的c u 、n i 、f e 、f e 3 a i 粉末。发现，添加不同的金属粉末 都能使材料的性能得到一定的提升。其中，添加f e 粉的效果最好，材料的抗压 强度和抗弯强度分别达到了4 3 5 6 8 m p a 和1 2 7 4 7 m p a 。各金属粉末在一定程度 上加强了钢纤维和陶瓷基体的界面结合力，提高了材料的性能。部分弥补了钢 纤维和陶瓷基体相容性差的缺点。 关键词：a 1 2 0 3 z r 0 2 t i 0 2 ，陶瓷基复合材料，钢纤维，纤维增韧 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m o r ep r o p e r t i e so f m a t e r i a la r er e q u i r e db ym a n yf i e l d s t h ec o m p o s i t eo fm a t e r i a l si sag o o dw a yt o e n h a n c et h ep r o p e r t i e s ，w h e nt r a d i t i o n a lm a t e r i a l sc a nn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s c e r a m i c ，w h i c hi st h eo n eo ft h r e em o s ti m p o r t a n tk i n d so fm a t e r i a l s ，h o wt od e a l w i t ht h eb r i t t l eb e c o m et h ek e yo ft h e i rc o m p o s i t e s c u r r e n t l y ，t h e r ea r em a n yw a y s t oe n h a n c ec m c s ，a n dt h e yh a v em a d eg r a n ta c h i e v e m e n t b u tn o w ，i ti sl e s s r e s e a r c ho nc m c sw h i c he n h a n c e db ys t e e lf i b e r s ，a n dc o o p e r a t i n gw i t ho t h e r f a c t o r s a 1 2 0 3 z r 0 2 t i 0 2h a sb e e nc h o s e nf o rt h em a i np a r to fc m c s ，w i t hab n a n d c l a yh e l p i n gs i n t e r ，a n ds t e e lf i b e r sf o re n h a n c i n gt h ep r o p e r t i e so fc m c s ，u n d e r t h ef i x e ds i n t e rr u l e r t oo b t a i nc m c se n h a n c e db ys t e e lf i b e ru n d e r1 2 0 0 t h i s k i n do fm a t e r i a li ss f r c m c s i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t si n c l u d er e s e a r c h so n t h ep r o p e r t i e so fs f r c m c sf r o mf o r m i n gf a c t o r s ( i n c l u d i n gb i n d e ra n df o r m i n g p r e s s u r e ) ，t h er a t i oo fm a i np a r ta n dt h es i z eo fa 1 2 0 3p o w d e r ，b ys o m et e s t sa n d d i s c u s s i o n s w i t ht h er e s u l to fe x p e r i m e n t s ，t h er a t i oo fm a i np a r ta n dt h es i z eo f p o w d e ra r et h ee a c ho n eo ft h em o s ti m p o r t a n t f a c t o r st oi n f l u e n c et h ep r o p e r t i e so f s f r c m c s a tl a s to n eo ft h es a m p l e sh a sag o o dp r o p e r t yc o m p a r e dw i t ho t h e r s ( 2 7 3 6 2 m p ai nc o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n d7 3 6 8 m p ai nb e n d i n gs t r e n g t h ) ，w h e n t h er a t i oo fa 1 2 0 3 z r 0 2 - t i 0 2t ob e5 0 ：1 5 ：1 5 ，a n dc h o s e na na p p r o p r i a t es i z eo f 舢2 0 3p o w d e r ( 5 0 肛m ) ，a n de x c l u d i n gt h ef a c t o r so ff o r m i n g t h er a t i oo f s t e e lf i b e r i s1 0 ( w t ) t h e n ，i n c r e a s i n gt h er a t i oo fs t e e lf i b e r sb a s e do nt h er e s u l t so fl a s te x p e r i m e n t ， a n dr e s e a r c h i n gt h ep r o p e r t i e so ft h es a m p l e s i th a sd i s p l a y e dt h a tw i t h t h e i n c r e a s i n go f s t e e lf i b e r s ，t h ep r o p e r t i e so fs f r c m c sh a si m p r o v e da tf i r s ta n dt h e n d e c l i n e dw h e nt h er a t i oo fs t e e lf i b e r si sv e r yh i g h t h es a m p l ec o n t e n t2 4 ( w t ) s t e e lf i b e r sh a sb e t t e rp r o p e r t i e s ( 3 6 4 5 6 m p ai nc o m p r e s s i o ns t r e n g t h a n d 1 0 3 5 4 m p ai nb e n d i n gs t r e n g t h ) c o m p a r e dw i t ho t h e rs a m p l e s t h eo t h e rr e s u l ti s t h a t l o n gs t e e l f i b e ri sb e t t e rt h a ns h o r tf i b e rw h e nt h e yr e i n f o r c i n gc m c s d e c r e a s i n gt h er a t i oo fs t e e l f i b e rt o18 ( w t ) ，a n da d d i n g6 ( w t ) w i t h 武汉理i = 人学硕士学位论文 d i f f e r e n tk i n d so fm e t a lp o w d e r ( c u ，n i ，f e ，f e 3 a i ) t h er e s u l ts h o w e dt h a t ，t h e p r o p e r t i e so fs a m p l e sh a v eb e e nr e i n f o r c e di nv a r y i n gd e g r e e s ，a n dt h es a m p l ew i t h f ep o w d e rf o ra d d i t i o nh a st h eb e s tp r o p e r t i e s ( 4 3 5 6 8 m p ai nc o m p r e s s i o ns t r e n g t h a n d12 7 4 7 m p ai nb e n d i n gs t r e n g t h ) t h em e t a lp o w d e rm a yi m p r o v et h eb i n d i n go f i n t e r f a c eb e t w e e nc e r a m i c sa n ds t e e lf i b e r s ，a n dr e m e d yt h ed e f e c t so fb a d c o m p a t i b i l i t yo fc e r a m i c sa n ds t e e lf i b e r s k e y w o r d s ：a 1 2 0 3 - z r 0 2 - t i 0 2 ，c m c s ，s t e e lf i b e r ，r e i n f o r c e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信，i , i i 务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：l i 龌导师( 签名) ：盘2 墅一日期j 业 武汉理r 大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 复合材料简介 复合材料是由两种及以上不同的原材料组成，使原材料的性能得到充分发 挥，并通过复合化而得到单一原料所不具备的性能的材料【1 1 。材料的复合化是 材料发展的必然趋势之一。早在古代就已经出现了原始型的复合材料，如用草 茎和泥土作建筑材料；砂石和水泥基体复合的混凝土也有很长历史。但直到1 9 世纪末复合材料开始进入工业化生产i 2 1 。 复合材料一般由基体组元与增强体或功能组元所组成【3 1 。复合材料可经设 计，即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分 材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能。 按用途的不同，复合材料可分为结构复合材料功能复合材料【4 j 。目前结构 复合材料占大多数。按材料基体的不同，结构复合材料大致可分为三类，见图 1 1 。 结构复合材料主要由主基体和增强体构成，按增强体区分，结构复合材料又可 以大致分为：纤维增强结构复合材料、颗粒增强复合材料、片材增强复合材料 以及层叠式复合材料。陶瓷基复合材料主要是纤维增强型和颗粒增强型【5 】。 图1 - 1 结构复合材料分类 武汉理1 二人学硕士学位论文 1 2 陶瓷基复合材料概述 陶瓷基复合材料指的是一类由无机非金属材料为基体的复合材料。按复合 效果可以分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要是利用陶瓷材料优良的力学 性能，应用于耐压耐磨的工作环境中。功能陶瓷是利用其力学性能以外的所有 其他性能( 如光、电、磁、热性能等) 的复合材料。本文主要研究的是结构陶瓷 的补强及增韧。 1 2 1 陶瓷基体材料 结构陶瓷基体材料主要有氧化物陶瓷，如a 1 2 0 3 基陶瓷、z r 0 2 基陶瓷、c a o 基陶瓷以及各种氧化物的复合基体等【6 1 。还有非氧化物陶瓷指不含氧的金属碳 化物、氮化物、硼化物、硅化物等。本文主要讨论的是氧化物2 0 3 z r 0 2 t i 0 2 复合基体的结构陶瓷。下面简单介绍一下a 1 2 0 3 陶瓷基体和z r 0 2 陶瓷基体。 1 2 1 1 2 0 3 基体 舢2 0 3 原料在自然界中蕴藏丰富，制造成本低廉。纯瑚2 0 3 熔点很高，在 2 0 1 5 2 0 5 0 之间，其主要晶型有a a 1 2 0 3 、1 3 a 1 2 0 3 和y 础2 0 3 三种。其中，a 鲇2 0 3 属六方晶系，其结晶形态最为稳定，具有一系列优良的综合性能，也是 自然界中惟一存在的2 0 3 的品型1 7 1 。 a 1 2 0 3 陶瓷是以冈l j t , ( a 。a 1 2 0 3 ) 为主要矿物组成的，是应用最广的陶瓷材 料，是最重要的陶瓷材料之一【8 】o 2 0 3 陶瓷通常以基体中a 2 0 3 含量来分类。 习惯上把含2 0 3 9 9 的陶瓷称为“9 9 瓷 。以此类推还有“9 5 瓷 和“7 5 瓷” f 9 】。我们还把越2 0 3 含量在8 5 以上的2 0 3 陶瓷称为高铝瓷。高铝瓷的机械强 度很高，导热性能良好，绝缘强度、电阻率高，介质损耗低，介电常数一般在 8 1 0 之间。高铝瓷的烧成温度较高，降低烧结温度，减少生产成本是砧2 0 3 陶 瓷研究的热点问题。 在复合基体的陶瓷材料中，2 0 3 也是一种十分重要的原料。趟2 0 3 陶瓷 力学性能良好、脆性较大，在其中添加复合相降低舢2 0 3 陶瓷的烧结温度f 1 0 l ， 改善其脆性并最大程度保持其原有的优良性能是a 1 2 0 3 基复合材料的研究目的 和应用方向。 2 武汉理t 人学硕士学位论文 1 2 1 2z r 0 2 基体 z r 0 2 陶瓷属于新型陶瓷，由于它具有十分优异的物理、化学性能，不仅在 科研领域已经成为研究热点，而且在工业生产中也得到了广泛的应用，是耐火 材料、高温结构材料和电子材料的主要原料 1 1 j 。z r 0 2 的相变增韧特性，使其成 为复合陶瓷材料的增强相。目前在各金属氧化物陶瓷中，z r 0 2 的重要作用仅次 于a 1 2 0 3 。 纯z r 0 2 有立方( c u b i c ) 、四方( t e t r a g o n a l ) 、单斜( m o n o c l i n 妫三种品列1 2 l ，它 们分别稳定于高温段( 2 3 7 0 。c 立方相 2 6 8 0 。c ) ，中温段( 1 2 0 0 。c 四方相 煤油 a 组试样中，煤油的挥发速度过快，在4 0 0 时就基本挥发、燃烧完毕， 粉料的烧结还未完全开始，造成气孔率偏大；而煤油在基体中基本没有残留， 而且挥发过快也不利于粉料的烧结，所以试样的密度偏小。 b 组试样失重曲线平缓，水玻璃的水分挥发完毕后会硬化，稳定的存在于 基体中，并且残留量较多。而且其主要成分比较稳定在一定温度下既不产生液 相也不会和粉料中主要成分固熔，对粉料的烧结没有促进作用，烧结致密化程 度低。所以b 组试样的密度不高，气孔率较大。 c 组试样中，失重曲线平缓，粘结剂的分解和烧结过程同步进行，在烧结 开始时，粘结剂n a 能促进粉料表面活性，增加烧结驱动力，增进原子相互扩 散，从而提高烧结的致密度。随着烧结的不断进行，n a 也逐渐分解，使得试 样的二次气孔较少。n a 分解完毕后残留物也较少，对基体的影响较小。因此c 组试样的相对密度最大，气孔率最小。 ( 2 ) 成型压力对试样密度以及气孔率影响 从图中可以看出，随着成型压力的增大，b 组、c 组试样的密度逐渐增大， 气孔率逐渐减小；a 组试样密度先增大后减小，气孔率先减小后增大。 试样的密度和气孔率大小主要由粉料烧结致密化程度决定的，而影响烧结 致密的因素有很多，除开粉料本身的因素外，粘结剂、成型压力和烧结制度都 是至关重要的1 5 8 】。在粘结剂和烧结制度一定的情况下，成型压力就成为了烧结 致密化的关键因素。 粉料的烧结驱动力主要来自粉料表面活性能的下降，表面积的减少【59 。一 定的成型压力能使坯体粉料颗粒间紧密接触，使其烧结时扩散阻力减小。随着 成型压力的增大，陶瓷生坯中颗粒的接触界面也增大，在烧结时质点迁移距离 较短，这就造成它们烧结时扩散阻力减小。烧结过程实际上是物质的迁移，填 充颗粒问气孔的过程。因此成型压力较小时，粉料结合较差，生坯强度低，含 有较多气孔，材料烧结后密度低、气孔率高；成型压力较大时，粉料的结合紧 密，生坯中的气孔减少，粉粒间接触面增大从而促进烧结。但是成型压力也不 是越大越好。首先，粉料结合过于紧密不利于气体的排除，在烧结过程中被封 2 4 武汉理i ：大学硕十学位论文 闭在基体中，随着温度的升高气孔的膨胀会使气孔率变大密度变小，甚至会带 来大量的缺吲硎。其次，实验采用的是垂直单向加压的普通干压成型法，这就 势必造成材料内部应力不均，压力过大会使内应力增大，增加烧成后基体内部 缺陷，甚至造成试样开裂。 从图中可以看出，压力从2 8 0 m p a 提高到3 6 0 m p a 时，材料密度提升、气 孔率减小较为明显，压力提升至4 0 0 m p a 时较3 6 0 m p a 密度和气孔率变化不是 很明显，粘结剂为煤油的a 组试样甚至有下降趋势。 3 3 3 试样的力学性能分析 试样的抗压强度分析见图3 6 ；抗弯强度分析见图3 7 。其中c 组试样力学 性能最好，最高的c 4 试样抗压和抗弯强度分别可达到1 5 4 5 1 m p a 和5 6 m p a ； a 组试样强度次之，最高的a - 4 试样抗压和抗弯强度为1 2 4 6 7 m p a 和4 7 5 6 m p a ； b 组试样强度最差，最高的b 3 试样抗压和抗弯强度分别只有1 0 2 4 5 m p a 和 3 7 8 7 m p a 。 一ag r o u p f o r m i n gp r e s s u r e ( m p a ) 图3 - 6a 、b 、c 组试样的抗压强度分析 bg r o u p cg r o u p 柏 加 一叮t荟一c_acq_j_田co一协oi c i e o o 武汉理j ：大学硕十学位论文 - 一ag r o u p 2 8 03 2 0 3 6 04 0 0 f o r m i n gp r e s s u r e ( m p a ) 图3 7a 、b 、c 组试样的抗弯强度分析 g r o u p g r o u p ( 1 ) 粘结剂对试样力学性能影响 不同的成形剂对提高试样的力学性能的作用，n a 煤油 水玻璃。 对于成分一定的陶瓷基材料，影响其力学性能的因素有很多，如气孔率、 晶粒尺寸、晶粒形状等。 气孔率对试样的弹性模量以及力学性能的影响可以用下列公式表示， 气孔率和弹性模量的关系： e = e o ( 1 一k p )( 3 1 ) 式中e 为陶瓷的弹性模量；岛是气孔率为o 时试样的弹性模量；k 为常数； p 为陶瓷内部的气孔率。 w d u c k w o r t h 推导出的陶瓷强度与气孔率的经验公式【6 1 】为： s = s o e x p ( - b p )( 3 2 ) 式中s 为陶瓷的强度；s 。是气孔率为0 时的强度；b 为常数；p 是陶瓷内 部的气孔率。 虽然陶瓷材料的弹性模量比金属的高很多，但其强度却比金属的低得多。 2 6 ：f ； 钙 ；8 ； 一m乱荟一c_oci_西c一刁c 武汉理t 人学硕士学位论文 这主要是由于陶瓷内部存在着气孔、杂质、微裂纹等大量缺陷1 6 2 1 。同时，它是 一种脆性材料，当受到外力作用时，往往在有缺陷的地方产生应力集中，这就 使陶瓷的强度远较理想状态的低。从公式中可以看出，气孔的控制和排除对于 试样的力学性能有重要的作用。 对同组分的试样来说，一般情况下材料的密度越大、气孔率越小，材料的 力学性能越好。根据f i 面分析，c 组试样密度最高，气孔率最小，试样的烧结 致密化程度好。因此c 组试样的抗压和抗弯强度相对最高。a 组和b 组试样相 比，密度和气孔率较差，但是力学性能又高于b 组试样。虽然水玻璃在b 组试 样的生坯成型中效果较好，但是在烧结升温过程中较早脱水硬化，并且残留在 基体中的成分很稳定，对烧结致密化产生了一定的阻碍作用，使得b 组试样相 对于a 组试样来说密度较高但是力学性能偏低。 ( 2 ) 成型压力对试样力学性能影响 从图中分析可以看出，随成型压力的增高，试样的抗压强度和抗弯强度逐 渐提高，抗压强度提高的相对幅度较大，抗弯强度提高较平稳。 3 组试样在成型压力从2 8 0 m p a 提升到3 6 0 m p a 时，抗压、抗弯强度提高 较多，从3 6 0 m p a 到4 0 0 m p a 时，b 组c 组试样抗压、抗弯强度变化不多，a 组试样甚至有下降趋势。 除了气孔率对试样的力学性能有重要影响外，试样中的晶粒尺寸也是一个 重要因素。 而晶粒尺寸和陶瓷材料强度一般用h a l l p e t c h 关系式【6 3 】来描述： s f = s o + k d 堋 ( 3 3 ) 式中s f 为陶瓷材料强度；s 。、k 、m 为常数；d 为晶粒尺寸。 d a v i d g e 等人还发现，陶瓷坯体中最大裂纹长度和晶粒直径和气孔直径有 关，推导出公式【吲： s ：k e 由p g 。p ( 3 4 ) 式中s 为陶瓷强度；g 为晶粒尺寸；p 为气孔率；其余为常数。 从以上可以看出，相同条件下，晶粒尺寸较细，气孔率较小的情况下，试 样的力学性能较好。陶瓷粉料一定时，晶粒尺寸和气孔率主要是由烧结致密化 程度决定。而在相同的烧结体制下，成型压力是决定烧结致密化程度的一个重 武汉理i 大学硕士学位论文 要凼素。根据前面分析，合适的成型压力能使烧结致密化程度高并有效控制 试样的气孔率和晶粒尺寸。成型压力太小，粉料结合不够紧密，烧结驱动力小， 原子迁移能较高不利于烧结致密化。而成型压力过大，会使粉料结合过于紧密， 提高烧结致密化的同时，也会使坯体中气体不易排出，并且粉料烧结后密闭在 坯体里，当温度升高时会产生膨胀使气孔率增加。另外烧结速度过快，容易形 成二次气孔，也不易控制晶粒尺寸，从而使试样的力学性能受到一定影响。因 此，选择合适的成型压力是使试样获得较好力学性能的一个重要因素。 3 3 4 试样的显微结构分析( s e m ) 利用扫描电子显微镜对3 组试样中性能最好的c 组4 个试样进行显微结构 分析。从x l ，0 0 0 的s e m 图中溷3 - 8 ) 观察成型压力对试样微观结构的影响。 从前面分析可知，随着成型压力的提高试样密度和力学性能逐步上升、 气孔率逐步减小。图a ，b 中断口表面缺陷较多，有明显裂纹，气孔分布广而 且尺寸较大，钢纤维和基体的结合也不够紧密。从图a 还可以看到试样c 1 中 有部分晶粒生长尺寸较大，大尺寸晶粒附近有比较明显的裂纹缺陷，这是由于 成型压力较小加上内部应力不均造成的。局部粉料结合较为紧密烧结速度快， 而和其他粉料的结合力不够，导致晶粒生长不均。b 图中c - 2 试样相对于c - 1 试样裂纹减少，晶粒尺寸比较均匀，但是存在较大尺寸气孔，降低了试样的密 度和力学性能。相对而言，图c ，d 中，试样断口表面缺陷较少。图c 中c - 3 试样断口表面气孔较少，尺寸不大而且分布均匀。图d 中c 4 试样表面没有明 显裂纹，基体和钢纤维结合比较紧密，但是存在较大尺寸的气孔。 a f c 一1 试样，成型压力2 8 0 m p a ) b ( c - 2 试样，成型压力3 2 0 m p a 武汉理i ：人学硕f 学位论文 a ( c - 3 试样t 成型压力3 6 0 m p a ) b f 0 4 试样成型压力4 0 0 m p a ) 图3 - 9c - 3 、3 - 4 试样x 1 0 ，0 0 0s e m 图片 武汉理：j ：人学硕士学位论文 3 4 本章小结 在陶瓷基复合材料的制备中，粉料的选择，生坯的压制成型，以及试样的 烧结对材料性能都有着重要的影响。本章从成型因素入手，分别从粘结剂的使 用、成型压力的选择，分析讨论了成型因素对材料性能的影响。 得出如下结论： ( 1 ) 本实验选用的三种粘结剂中，对材料力学性能的影响为n a 煤油 水玻 璃；对材料密度影响以及气孔率的控制为n a 水玻璃 煤油。对于干压成型 法，适当的粘结剂可以增加粉料的流动性，使压制的生坯具有一定的强度，从 而促进烧结。同时需要注意避免粉料颗粒成团，根据不同的粉料和粘结剂，有 时需要对添加粘结剂后的粉料过筛处理1 6 5 j 。 n a 粘结剂溶剂为少量的水，可以和基体粉料中的黏土混合增加坯体的可 塑性，对生坯压制成型和增加生坯强度有一定的帮助；n a 分解速度不快，分 解温度较高，有助于试样烧结过程中的致密化，减少气孔率从而提高材料强度； n a 在最终烧成材料中残留量较少，而且为液相，可促进基体中原子迁移、扩 散，提高烧结驱动力，对材料试样陶瓷粉料烧结负面影响较小。因此在这几种 粘结剂中，使用n a 的c 组试样密度最大，气孔率最小，力学性能最好。其中 需要注意的问题是生坯压制成型后需要马上进行干燥处理，避免其中水分对增 强相钢纤维产生不利影响。 ( 2 ) 粘结剂的用量选择为6 。粘结剂的用量适当，干压成型法制成的生坯也 可以达到一个理想的强度见图3 1 0 。粘结剂一方面提高粉料颗粒间结合强度， 一方面可以填充粉料问空隙。粘结剂过少，粉料结合力较差，生坯强度不够容 易开裂，使成型困难。粘结剂过多，阻碍了粉料间的接触，粉料颗粒问接触面 不够，原子扩散、迁移困难，烧结时需要更大的驱动力，对烧结致密化不利。 而且过多的粘结剂烧失后会造成大量的气孔，降低试样的密度和力学性能。 图3 1 0 粘结剂和粉料结合 台刺 武汉理下大学硕士学位论文 ( 3 ) 本实验采用的4 种成型压力分别为2 8 0 m p a 、3 2 0 m p a 、3 6 0m p a 、4 0 0m p a 。 试样的性能随成型压力的提高逐步提升，压力从2 8 0 m p a 提升到3 6 0 m p a 试样 的性能提升比较明显；压力从3 6 0 m p a 提高到4 0 0m p a 时材料的性能提升幅度 相对较小。从试样的显微结构上来看，3 6 0 m p a 下成型的试样缺陷较4 0 0m p a 下成型的试样要少。 一定成分的陶瓷基材料，烧结致密化程度是决定其密度、力学性能的重要 指标。而在烧结制度相同的情况下，成型压力就是决定试样烧结致密化程度的 关键因素。 从前面分析不难看出，提高成型压力可以增加粉料之问结合，提高粉料的 堆积密度。因此，从较低的成型压力增加时，试样性能上升较快。但是当成型 压力到达一定程度后，继续提高压力对提高试样性能帮助不大。这是因为，过 大的成型压力会造成坯体烧结过程中气体排除困难，粉料结合度过高会引起晶 粒尺寸长大较快【矧，从而影响试样性能。 同时，本实验采用的干压成型法为垂直单向加压见图3 1 1 ，这种压制方法 操作简单，但同时也会造成生坯内部应力不均，会有横向内应力，而且加压越 大，残留基体的内应力也会越大。而过大的内应力会造成试样在烧结后的试样 中形成裂纹缺陷。 簟向加压 l 图3 1 1 干压成型法压力示意图 另外，一定成分的粉料堆积密度有一个理论极限值，当堆积密度已经接近 这个理论值时，要继续提高其堆积密度会非常困难，耗费的功相对于前面成倍 增加。在工业生产上，性能提升不明显的情况下，选择相对较小的成型压力有 助于节约成本。 本实验最后选择的成形剂为n a ；成型压力为3 6 0m p a 。 武汉理工人学硕士学位论文 第4 章主基体对材料性能影响 本章主要研究了主要陶瓷基体粉料的改变对试样性能的影响。首先从三元 基体a 1 2 0 3 z r 0 2 t i 0 2 的选择配比入手，讨论研究主基体成分的改变对材料性能 的影响。然后选择性能较好的试样，选用不同粒径的趟2 0 3 ，分析了趟2 0 3 粒径 大小对不同试样性能的作用。 4 1 主基体配比实验 4 1 1 实验方法 三元基体含量占试样总质量的8 0 左右，其余物质为5 的黏土；5 的b n ； 1 0 钢棉为增强相( 表4 1 ) 。 表4 1 试样主要成分 a 1 2 0 3 ( 。、- z r 0 2 一t i 0 2 黏土 钢棉 b n 7 5 8 551 05 使用6 的n a 作为粘结剂，改变主基体中的三元配比得到不同试样( 表 4 2 ) ，在3 6 0 m p a 压力下压制成型。通过对试样的密度测试、气孔率测试、力 学性能测试、x r d 分析研究主基体成分的改变对材料性能的影响。 表4 2 主基体配比实验试样编号 t i 0 2 试样编号2 0 3 z r 0 2 d 组e 组f 组 1 撑5 51 0 矿 5 01 5 箩 4 52 5 1 01 52 0 4 斡 2 54 5 5 撑1 5 5 0 6 撑1 05 5 3 2 武汉理+ t ：大学硕七学1 奇：论文 d 一1 5 5 ( 0 ：1 0 d 一2 5 0 ( c ) ：1 5 d 3 4 0 ( c ) ：2 5 1 0 d 一4 2 5 ( o ：4 0 d 一5 1 5 ( c ) ：5 0 3 8 9 3 8 4 3 8 1 3 8 7 3 8 2 1 0 2 5 1 0 3 8 1 0 4 7 1 0 1 9 1 0 2 9 1 7 1 9 2 1 6 2 4 3 1 5 6 6 5 1 6 6 7 8 1 5 9 4 6 6 2 1 6 5 8 1 7 5 6 5 2 5 9 3 6 5 7 2 7 里：鱼! 啦；! 曼兰：丝! q ：堕! 璺三：鱼z丝：堑 e 1 e 2 e 3 e 4 e 5 5 5 ( c ) ：1 0 5 0 ( c ) ：1 5 4 0 ( c ) ：2 5 ， l ， 2 5 ( 0 ：4 0 1 5 ( c ) ：5 0 3 9 1 3 9 2 3 8 6 3 8 8 3 9 4 1 0 2 6 1 0 2 3 1 0 3 5 1 0 1 6 1 0 0 7 1 8 6 7 4 1 9 1 5 3 1 6 4 7 3 1 6 9 - s 1 8 9 3 7 6 4 9 1 6 5 5 8 5 7 5 1 5 8 6 4 6 5 9 8 里：鱼! q f l 211 1兰：q 三竺：璺!兰q 鱼：兰鱼塑：z 兰 f 1 f 2 f - 3 f 4 f 5 5 5 ( 0 ：1 0 5 0 ( 。) ：1 5 4 0 ( c ) ：2 5 2 0 2 5 ( c ) ：4 0 1 5 ( c ) ：5 0 3 8 7 3 9 0 3 8 5 3 8 6 3 9 1 1 0 3 1 1 0 2 4 1 0 3 4 1 0 2 2 1 0 1 2 1 7 1 4 5 1 7 9 4 8 1 6 2 3 8 1 6 5 4 7 1 7 7 8 9 5 9 7 6 6 2 1 2 5 6 8 5 5 8 8 9 6 0 8 7 1 ：鱼! q ( 1 2 ；! ! 兰：墅! q ：q z! 坠：鱼z箜：鱼z 4 1 3 分析讨论 4 1 3 1 试样的密度以及气子l 率分析 各试样的密度分析见图4 - 1 。从组别来看，当t i 0 2 含量为1 5 的e 组试样 的密度相对最高；当t i o ! 含量为2 0 的f 试样密度相对次高；当t i o ：含黾为 3 3 武汉理j i ：人学硕十学位论文 1 0 时的d 组试样的密度相对最小。 各组内试样比较，根据a 1 2 0 3 ( c ) 与z r 0 2 的配比不同分析：当a 1 2 0 3 ( c ) 含量较 高时，随着z r 0 2 的加入试样的密度降低；但当z r 0 2 含量超过a 1 2 0 3 ( c ) 含量后， 随着z r 0 2 量的增加，试样密度逐渐增高。在a 1 2 0 3 ( c ) 含量较高的3 种试样中， a 1 2 0 3 ( e ) 与z r 0 2 的配比为5 0 ：1 5 的2 # 试样密度最高。在z r 0 2 含量较高的3 种 试样中，a 1 2 0 3 ( 。) 与z r 0 2 的配比为1 0 ：5 5 的6 撑试样密度有极大值。 - 一d g r o u p 5 5 ( c ) ：1 05 0 ( c ) ：1 54 0 ( c ) ：2 5 2 5 ( c ) ：4 01 5 ( c ) ：5 0 1 0 ( c ) ：5 5 m i x i n gr a t i o ( v v l ) 图4 1d 、e 、f 组试样的密度分析 eg r o u p fg r o u p 各试样的气孔率分析见图4 2 。从组别来看，当t i 0 2 含量为1 5 的e 组试 样的气孑l 率相对最低：当t i 0 2 含量为2 0 的f 试样气孔率相对次低；当t i 0 2 含量为1 0 时的d 组气孔率的密度相对最大。 各组内试样比较，根据a 1 2 0 3 ( c ) 与z r 0 2 的配比不同分析，当a 1 2 0 3 ( c ) 含量较 高时，随着z r 0 2 的加入试样的气孔率不断增加；但当z r 0 2 含量超过2 0 3 f 。1 含量后，随着z r 0 2 量的增加，试样气孔率逐渐降低。在a 1 2 0 3 ( c ) 含量较高的3 种试样中，2 0 3 ( 。) 与z r 0 2 的配比为5 0 ：1 5 的2 撑试样气孔率最低。在z r 0 2 含 量较高的3 种试样中，a 1 2 0 3 f c l 与z r 0 2 的配比为1 0 ：5 5 的6 群试样气孔率最低。 舛舱g；舛8；昭8钳娩 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 一，eoo一釜一协coq)l一3 武汉理 人学硕士学位论文 一dg r o u p 5 5 ( c ) ：1 05 0 ( c ) ：1 54 0 ( c ) ：2 52 5 ( c ) ：4 01 5 ( c ) ：5 0 1 0 ( c ) ：5 5 m i x i n gr a t i o ( 叭) 图4 2d 、e 、f 组试样的气孔率分析 eg r o u p fg r o u p 陶瓷烧结后试样的密度、气孔率和烧结致密程度有关。一定温度下，t i 0 2 与a 1 2 0 3 可形成不一致共熔化合物a 1 2 t i 0 5 【f 7 1 。从结构上看t i 4 + 与3 + 尺寸相差 不大，t i 0 2 部分固溶于2 0 3 晶格时会产生离子尺寸效应及电价效应，活化晶 格增加刚玉的品格缺陷，加速烧结过程中的离子扩散进程，提高晶粒的生长速 率并诱导晶粒异向生长从而促进烧结；而t i 0 2 和z r 0 2 化学兼容性较好，能在 较高温度下生成z r t i 0 4 ，使烧结致密度提高，这些都有助于试样提高密度减少 气孔率。当t i 0 2 的含量过高时，大量的t i 0 2 会造成试样内严重的晶粒异相生 长1 6 8 j ，并且使晶粒尺寸过大而增加试样内部气孔率，影响试样密度。另外，t i 0 2 较多会增加试样内部各晶相间的晶界增加裂纹缺陷导致气孔率上升，密度下降。 相对而言，t i 0 2 含量为1 5 的e 组试样密度最高、气孔率最小。 与t i 0 2 不同，2 0 3 和z r 0 2 之问没有固熔作用，很多实验证明它们是以独 力的晶相存在于陶瓷基体中1 6 引。但是，这并不影响砧2 0 3 和z r 0 2 之间的互补关 系。实验采用的z r 0 2 为纳米级，粒径相对于2 0 3 来说较小。少量的z r 0 2 粒 子可以填补a 1 2 0 3 之间空隙，使坯体的堆积密度提高促进烧结。相反，当z r 0 2 粉体为主体时，少量的a 1 2 0 3 颗粒可以作为骨架定扎在连续的z r 0 2 基体中，一 5 4 3 2 ， o 9 竹 竹 竹 协 加 伯 9 一冰一釜oj0山 武汉理i ：人学硕士学位论文 定程度上抑制z r 0 2 粉体烧结过快引起大量的二次气孔，以免降低试样密度。但 是当a 1 2 0 3 和z r 0 2 含量接近时，会破坏晶相的连续性，同时产生大量晶界造成 晶相间结合力变弱。而且a 1 2 0 3 和z r 0 2 不产生固熔，添加过多第二相会阻碍各 自的烧结和晶粒生长，使烧结致密度降低。 4 1 3 2 试样的力学性能分析 各组试样的抗压强度、抗弯强度分析见图4 3 、4 4 。从组别来看，当t i 0 2 含量为1 5 时的e 组试样的抗压强度和抗弯强度相对最高；t i 0 2 含量为2 0 时 的f 组试样相对次高；当t i 0 2 含量为1 0 时的d 组试样力学性能最差。 从组内试样的2 6 l 1 2 0 3 ( c ) 与z r 0 2 配比来看，当试样中a 1 2 0 3 ( c ) 含量较高时，随 着z r 0 2 含量的增加试样的抗压强度和抗弯强度总体呈下降趋势；当试样中z r 0 2 含量较高时，随着z r 0 2 含量的增加试样的抗压强度和抗弯强度总体呈上升趋 势。相对而言，2 0 3 ( c 1 含量较高的3 种试样中2 0 3 ：z r 0 2 为5 0 ：1 5 的2 撑试 样力学性能最好；z r 0 2 含量较高的3 种试样中2 0 3 ：z r 0 2 为1 0 ：5 5 的6 撑试 样力学性能最好。 2 1 0 2 0 5 2 1 5 5 _ 一dg r o u p 5 5 ( c ) ：1 05 0 ( c ) ：1 54 0 ( c ) ：2 52 5 ( c ) ：4 01 5 ( c ) ：5 0 1 0 ( c ) ：5 5 m i x i n gr a t i o ( w t ) 图4 3d 、e 、f 组试样的抗压强度分析 eg r o u p fg r o u p 5 ； 弱 巧 刀 钙 一母l乏一c-ocm0co一协dioeoq 武汉理r t 人学硕十学位论文 dg r o u p 5 5 ( c ) ：1 05 0 ( c ) ：1 5 4 0 ( c ) ：2 52 5 ( c ) ：4 0 1 5 ( c ) ：5 0 1 0 ( c ) ：5 5 m i x i n gr a t i o ( v i ，1 ) 图4 4d 、e 、f 试样的抗弯强度分析 g r o u p g r o u p 试样内气孔率、晶粒尺寸和晶粒形貌是决定陶瓷基材料的力学性能的几个 关键因素。与前面的分析类似，适量的t i 0 2 在高温下能和2 0 3 、z r 0 2 产生固 熔作用形成固熔体。而且t i 4 + 置换3 + 是不等价置换，即每加入3 个t i 4 + ，必 须置换出4 个3 + 而保持电中性，于是留下一