升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响(完结)

...wd......wd......wd...升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响摘要本课题研究的重点那么是不同热震制度对于陶瓷材料抗热震性指数的影响。主要研究结论如下：〔1〕对于纯Al2O3，在600℃下分别热震10次，20次，30次，40次，50次所得到的抗热震性指数均在23-30之间，且变化很小；在200-600℃下逐次热震所得抗热震性指数均在22-30之间，变化同样很小。从中可以看出热震制度对纯Al2O3热震性指数的影响很小；〔2〕对于7wt%SiC/Al2O3，在600℃下所得到的抗热震性指数均为35-46之间，在200-600℃下逐次热震的抗热震性指数均在39-43之间，变化很小。从中可以看出热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性指数的影响很小；〔3〕SiC的添加能够改善陶瓷材料的抗热震性。关键词：Al2O3SiC热震制度抗热震性指数EffectoftemperatureonthermalshockresistanceofceramicmaterialsindexABSTRACTThefocusofthisresearchistheeffectofdifferentheatshocksystemforthermalshockresistanceofceramicmaterialsindex.Themainconclusionsareasfollows:(1)ForthepureAl2O3,thethermalshockresistanceindex,afterrespectively10times,20times,30times,40times,50timesofthethermalshockat600℃,wasbetween23-30,andthefluctuationisverysmall;aftersuccessivethermalshockat200-600℃thethermalshockresistanceindexwasbetween22-30andthefluctuationisverysmall,too.ItcanbeseenfromtheresultsthattheeffectofthermalshocksystemonthermalshockresistanceindexofpureAl2O3isverysmall;(2)For7wt%SiC/Al2O3,theindexofthermalshockresistanceat600℃is35-46andtheindexofthermalshockresistanceofsuccessivethermalshockat200-600℃is39-43,changingsmoothly.Itcanbeseenfromtheresultsthattheeffectofthermalshocksystemonthermalshockresistanceindexof7wt%SiC/Al2O3isverysmall;(3)TheadditionofSiCenhancethethermalshockresistanceofceramicmaterial.Keywords:Al2O3；SiC；thermalshocksystem；thermalshockresistanceindex目录TOC\o"1-3"\u摘要.7课题的引入目前，氧化铝基陶瓷研究非常活泼，对其抗热震性的研究也较多。抗热震性研究主要集中在晶粒大小、不同体系复合、空隙度[36]因此,本课题主要研究经过不同热震制度后，Al2O3和7wt%SiC/Al2O3的抗热震性指数的变化。采取常压空气气氛烧结[35]，经过水冷热震，再采取各种分析手段，如XRD,SEM等，探究升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响，进而得出影响陶瓷材料的比较小的热震制度。第二章实验及表征方法2.1实验原料表2-1Al2O3原料成分Tab.2-1compositionsofAl2O3成份Al2O3Y2O3SiO2MgOLa2O3CaOClNa2OSO30.060.060.03Al2O3原料的处理：1〕常压空气气氛下将氧化铝原料在500℃的炉子里加热两个小时，进展排胶；2〕过80目筛，然后参加约10-12%的PVA进展造粒，再过40目的筛；3〕将造粒完的料静置。表2-2SiC原料成分Tab.2-2compositionsofSiCSiC原料ElementsSiOCaFeClTiNaWeight(wt%)70.070.030.030.01SiC原料的处理按计算好的SiC与Al2O3的7wt%SiC/Al2O3比值分别称取原料，置于球磨罐中；置于行星式球磨机上，然后以300r/min的转速球磨大约1.5h，湿法球磨；将球磨后的料置于枯燥箱中，90℃下枯燥将枯燥后的料研磨，过80目筛，然后参加约10-12%的PVA进展造粒，再过40目的筛；将造粒完的料静置。2.2实验设备和仪器实验所用主要设备如表2-3所示。表2-3实验设备Table2-3Experimentalequipments仪器名称仪器型号生产厂家电子天平FA2004上海恒平科学仪器变频行星式球磨机QM-1SP4南京大学仪器厂实验电炉WN-17M南京维能窑炉科技手动平磨机SZ150上海机床厂机电技术服务公司SB手扳试制样机QYL20D湖南湘潭仪器仪表厂旋片式真空泵2XZ-01台州市椒江宏兴真空设备厂微机控制万能试验机RGWT-4002深圳瑞格尔仪器电热鼓风枯燥箱DHG-9245A上海一恒科学仪器抗热震测试仪AT-02南京霄科纳米开发扫描电子显微镜JSM-5900JEOL2.3试样制备实验具体的工艺流程如图2-1所示:AlAl2O3/(7wt%SiC/Al2O3)球磨造粒过筛干压成型无压烧结试样加工热震测试+PVA数据处理图2-1实验工艺流程图Fig.2-1Schematicillustrationofprocesschartforrawmaterial1〕在50MPa的压力下用手动压机进展干压成型，每根试条用料为6g，每种方案压54根条；2〕将压好的试样至于空气气氛中烧成，烧成温度1600℃具体烧成制度如图2-2所示100℃/100℃/3℃2℃1600℃1000℃500℃10016001000500100120min120min冷却1600℃冷却1600图2-2烧成制度Fig.2-2Temperatureschedule2.4实验方法及表征2.4.1体积密度及显气孔率试样的显气孔率和体积密度根据GB/T2997-2000的规定，采用阿基米德排水法来测试，然后通过公式2-1和2-2分别来计算：显气孔率：〔2-1〕体积密度：〔2-2〕式中q：试样的显气孔率(%)；m1：试样的枯燥重量(g)；m2：饱和试样在空气中的重量(g)；m3：饱和试样在水中的重量(g)；2.4.2抗弯曲强度本实验采用三点弯曲法测量试样的抗弯强度，测试的标准依据国标GB6569-86中的规定。如图2-3所示，将符合标准的长方体试样放置在专用夹具上，试样的受压横断面平行于十字压头移动的方向，跨距30mm,十字压头加载速度为0.5mm/min，记录试样断裂瞬间的载荷值。三点弯曲法测定抗弯强度的计算公式为：(2-3)式中：σ：三点弯曲强度(MPa)；P：试样断裂时最大载荷(N)；L：跨距(mm)；b：试样断裂处宽度(mm);h：试样断裂处高度(mm)；图2-3三点抗弯强度测试示意图Fig.2-3Schematicdiagramofthethree-pointbendingtest2.4.3抗热震性能测试图2-4抗热震性实验装置示意图Fig.2-4Schematicdiagramofthermalshockresistanceexperimentalfacility抗热震性主要指陶瓷材料承受一定程度的温度急剧变化而不致破坏的能力。衡量这一性能的方法有很多，但是目前国际上并没有一种公认的统一标准。本文采用的实验装置为本研究室设计的全自动抗热震性能测试装置(图2-4)。将试条按抗弯强度测试方法中的要求，加工成高3mm、宽4mm、长度大于36mm的标准试样，置于实验装置中的加热炉中，热震温差设定在600℃，保温一定时间后置于水中冷却2秒，再迅速地回到加热炉中，即完成一次热冲击2.4.4XRD物相分析材料的物相通过理学D/max-Ⅲ型X射线衍射仪进展定性分析。将试样磨成粉末制样，实验条件为CuKα靶，工作电压为45KV，工作电流为40mA，扫描速度为10°/min，步长为0.02°。2.4.5扫描电镜〔SEM〕观察本实验采用的扫面电子显微镜为日本电子JOEL公司JEM型显微镜。首先将试样断面用导电胶带固定在基座上，喷金半小时到一小时之后，用扫描电子显微镜观察试样的断面形貌，包括晶粒的大小、形态、气孔的分布、断面的形态等，放大倍率范围从10~10000倍，本实验主要观察倍数为1000~5000倍。2.5本章小结本章首先列出了论文研究所需的原料以及主要的实验设备。简要介绍了实验中所应用的测试和表征方法如扫描电子显微镜、气孔率的测量、抗弯强度和抗热震性等的测试原理。第三章实验结果与讨论3.1不同热震次数及热震制度对纯Al2O3抗热震性的影响图3-1纯Al2O3不同热震次数及热震制度的剩余强度图Fig.3-1TheresidualstrengthofpureAl2O3withdifferentnumberofthermalshockandthermalshocksystems图3-1是纯Al2O3陶瓷在不同的温差和不同热震制度下屡次热震循环后的强度变化图。从图中可以看出，氧化铝陶瓷在热震之后，强度均出现了急剧的下降，随后趋于稳定。600℃下经过5次，10次循环热震与200℃下热震5次，300℃下热震10次的剩余强度相差很小。然而，10次热震后，600℃测试的材料剩余强度均略大于400℃下20次热震和500℃下30次热震后的剩余强度。这可能是因为陶瓷材料强度的离散型和实验误差所致。但从整体上看，氧化铝陶瓷经受屡次热震后，材料的剩余强度变化较小，基本上保持在某一定值处上下波动。随着热震循环次数的增多，剩余强度的变化较小可能是由于材料热震后试样就出现了尺寸较大的裂纹和缺陷，这些都能够在一定程度上缓冲热应力对材料的破坏。3.1.1热震次数对纯Al2O3剩余强度的影响图3-2纯Al2O3不同热震次数下纯氧化铝的剩余强度Fig.3-2TheresidualstrengthofpureAl2O30fdifferentthermalshocktimes图3-2是纯Al2O3在600℃下热震次数与剩余强度的关系图。可以发现，热震后Al2O3陶瓷的强度急剧减小，10次以前波动较大，20次以后趋于平稳。热震10次的时候出现一个极大峰值103.5MPa，这可能是由于陶瓷材料强度的离散型和实验误差导致的。随后热震的剩余强度变化很小，很可能是由于前面生成的裂纹上有有新的小的微裂纹生成，这对后面热震产生的裂纹有一定的阻碍作用，缓解了裂纹的扩张。3.1.2升降温制度对纯Al2O3抗热震性指数的影响图3-3是纯Al2O3在两种不同的热震制度下所得的抗热震性指数与热震循环次数的关系。由图可以发现，两种热震制度下的20次，40次热震后的TSRI相差很小，而30次，50次热震后的TSRI相差较大，相差率为12%和13%，相对而言差异还是很小的。600℃下的TSRI在23-30的范围内波动，且波动很小，在10次时为最大值，往后缓慢增大；在200-600℃下逐次热震〔200℃下热震10次后，升温至300℃再热震10次以此类推直到600℃共热震50次；往后另取一批样品再从300℃开场逐次热震40次，以此类推到从600℃热震10次，共5批样品〕，所得抗热震性指数在22-30之间，波动同样很小。这说明不同的热震制度对纯Al2O3陶瓷的抗热震性指数影响很小，由于陶瓷材料抗热震性指数的离散型和实验误差，两批试样所得数据还是有一些偏差的，但这并不影响我们所得结论的正确性。图3-3纯氧化铝不同热震制度的TSRI值Fig.3-3TSRIofpureAl2O3ofdifferentthermalshocksystems3.2不同热震次数及热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性的影响3.2.1热震次数对7wt%SiC/Al2O3剩余强度的影响图3-47wt%SiC/Al2O3不同热震次数下复相陶瓷的剩余强度Fig.3-4Theresidualstrengthof7wt%SiC/Al2O3withdifferentthermalshocktimes图3-4是600℃下7wt%SiC/Al2O3复相陶瓷的剩余强度与循环热震次数的关系图。从图中可以看到，热震后抗弯曲强度骤降，幅度很大。在20次热震时出现峰值为66MPa,0-20次热震剩余强度变化没有规律但基本是围绕60MPa变化的，20次以后剩余强度成减小趋势，50次时为最小为51.8MPa，相对于20次峰值的变化率为9%，说明相差很小。这种现象可能是由于随着热震次数的增加，陶瓷残料内部的微裂纹不断增多并长大，使得剩余强度一步步减小，但同时也发现变化很缓慢，说明热震次数的增多对陶瓷残料的剩余强度的影响越来越小，将会出现饱和。3.2.2升降温热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性指数的影响图3-57wt%SiCAl2O3不同热震制度Fig.3-5Differentthermalshocksystemswith7wt%SiC/Al2O3图3-5是7wt%SiC/Al2O3复相陶瓷在两种不同的热震制度下所得的抗热震性指数与热震循环次数的关系。从图中比较可以发现600℃下7wt%SiC/Al2O3复相陶瓷的抗热震性指数没有在200-600℃热震制度下的稳定，且前者在20次后为依次减小，而后者为依次增大。总的来看，两种热震制度对复相陶瓷材料抗热震性指数的影响是比较小的，两者很接近，比方50次时相差最大仅为6.7。这说明升降温制度对7wt%SiC/Al2O3复相陶瓷抗热震性指数的影响是很小的。3.3SiC的参加对两种热震制度下陶瓷材料抗热震性的影响图3-6SiC的参加对陶瓷抗热震性的影响Fig.3-6EffectofSiCadditiononthethermalshockresistanceofceramics图3-7SiC的参加及热震制度对陶瓷抗热震性的影响Fig.3-7EffectofSiCadditionandthermalshocksystemonceramicthermalshockresistance图3-6是600℃下纯Al2O3和7wt%SiC/Al2O3的TSRI值与热震循环次的关系。图3-7是200-600℃热震制度下纯Al2O3和7wt%SiC/Al2O3的TSRI值与热震循环次的关系。从图中可以发现，两种热震制度下，7wt%SiC/Al2O3复相陶瓷的TSRI值均要明显大于纯Al2O3，这说明SiC的参加能改善陶瓷材料的抗热震性。从图中还可以看到，两种热震制度下7wt%SiC/Al2O3的TSRI变化比较稳定，从而SiC的参加还可以改善陶瓷材料的稳定性。3.5微观表征图3-8是试样的XRD分析图。图中发现7wt%SiC/Al2O3试样在烧结后生成了莫来石相，说明莫来石具有比较好的改善材料抗热震性的性能。图3-9是试样断面的SEM图，可以看出Al2O3的晶粒尺寸在烧结之后晶粒变的较小，且气孔增多；SiC的参加生成的莫来石中晶粒要明显小于纯Al2O3中的晶粒，气孔也有一定的增多，这样使得复相陶瓷的强度得到提升。图3-8原料及烧结样品的XRD图baFig.3-8XRDphotographsbadcdc图3-9烧结样条断口形貌SEM照片〔a:纯Al2O3热震前;b:纯Al2O3热震后;c:7wt%SiC/Al2O3热震前d:7wt%SiC/Al2O3热震后〕Fig.3-9SEMphotographsoffracturesurfaceofsinteredsamples〔a:pureAl2O3beforethermalshock;b:pureAl2O3afterthermalshock;c:7wt%SiC/Al2O3beforethermalshock;d:7wt%SiC/Al2O3afterthermalshock〕第四章结论与展望4.1结论本论文制备了纯Al2O3和7wt%SiC/Al2O3的陶瓷试样，试样尺寸均加工为3mm×4mm。论文研究了升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响。对实验方法和测试数据进展分析归纳，得出如下结论：1、对于纯Al2O3，升降温制度对其抗热震性指数影响很小，随着热震次数的增加这种影响越发的微乎其微；2、对于7wt%SiC/Al2O3复相陶瓷，升降温制度对其抗热震性指数影响同样很小，且随着热震次数的增加这种影响较纯Al2O3更小；3、7wt%SiC/Al2O3复相陶瓷的Γ值明显高于纯Al2O3，且稳定性也明显优于纯Al2O3。4.2展望本文主要研究了升降温制度对陶瓷材料的抗热震性指数的影响。实验虽然初步获得一些有意义的结果，然而还有许多值得进一步做的工作。结合目前的研究结果，可继续研究不同烧结温度对陶瓷材料抗热震性能的影响、陶瓷的热震损伤机理以及提高热震后材料剩余强度的方法。参考文献[1]T.Andersson,D.J.Rowcliffe.Indentationthermalshocktestforceramics[J].JournaloftheAmericanCeramicsSociety,1996,79:1509.[2]程本军，杨辉，王家邦等.刚玉-莫来石推板的研制与应用[J].耐火材料，2004,38〔2〕：110.[3]ZhaoJ,AiX,HuangXP.Relationshipbetweenthethermalshockbehaviorandthecuttingperformanceofafunctionallygradientceramictool[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology,2002,129(1):161-166.[4]罗化辉等.粉末冶金技术，1991,9〔1〕：28-30.[5]刘宁.Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及成分,组织和性能的研究[J].博士学位论文,华中理工大学,1994.[6]宋世学,艾兴,黄.构造陶瓷抗热震性能及其机理的研究进展[J].陶瓷学报,2002,23(4):233-237.[7]中华人民共和国国家技术监视局.GB/T16536-1996,中华人民共和国国家标准[S].北京：中国标准出版社，1996.[8]张巍,韩亚苓.氧化铝基陶瓷抗热震性的研究进展[J].陶瓷学报,2008,29(2):193-198.[9]斯庭智,刘宁,尤显卿,等.Al2O3基复合陶瓷抗热震研究[J].硬质合金,2003,20(4):237-241.[10]冯帅,王志,丁寅森,等.氧化锆纤维增强的氧化铝陶瓷的抗热震性能[J].济南大学学报(自然科学版),2013,2:003.[11]PorterJR,LangeFF,ChokshiAH.ProcessingandcreepperformanceofSiC-whisker-reinforcedAl/sub2/O/sub3[J].Am.Ceram.Soc.Bull.;(UnitedStates),1987,66(2).[12]马南钢,施占华.构造陶瓷的抗热震性能研究[J].武汉交通科技大学学报,1996,20(5):527-531.[13]W.D.Kingery.Factorsaffectingthermalstressresistanceofceramicmaterials[J].JournaloftheAmericanCeramicsSociety,1995,38(1):8.[14]D.P.H.Hasselman.Unifiedtheoryofthermalshockfractureinitiationcrackpropagationinbrittleceramics[J].JournaloftheAmericanCeramicsSociety,1969,52:600.[15]W.Buessem.Ringtestanditsapplicationtothermalshockproblems,O.A.R.Report,Wright-PattersonAirForceBase,Dayton,[16]A.G.Evans,E.A.Charles.Structuralintegrityinseverethermalenvironments[J].JournaloftheAmericanCeramicsSociety,1977,50(1~2):22~28.[17]安胜利，氧化镁局部稳定氧化锆的相变与抗热震性能研究[J].包头钢铁学院学报，2003，22(4)：305-309.[18]陈桂华，杨辉.抗热震陶瓷研究进展[J].材料导报，2007,21：441-443.[19]贾德昌，周玉，陶瓷材料抗热震性研究进展[J].材料科学与工艺，1993,1〔4〕：96-101.[20]关振铎，张太中，焦金生.无机材料物理性能[M].北京：清华大学出版社，1992.[21]韩亚苓，张巍，潘斌斌等.Al2O3/堇青石陶瓷的制备和抗热震性能的研究[J].沈阳工业大学学报，2007,29(4):380-384.[22]贾贞.论建筑卫生陶瓷热稳定性的测试方法[J].陶瓷工程，1995,29〔4〕：38-39.[23]郝旭升.窑具材料抗热震性能的研究进展[J].耐火材料，2005,39〔3〕：203-206.[24]CemailAksel.Mechanicalpropertiesandthermalshockbehaviorofalumina–mullite–zirconiaandalumina–mulliterefractorymaterialsbyslipcasting[J].CeramicsInternational,2003,29:311-316.[25]孔德玉，杨辉，王家邦等.莫来石/刚玉复相陶瓷热断裂特性研究[J].硅酸盐通报，2004,5:32-35.[26]P.K.Panda,T.S.Kannan,J.Dubois.etal.Thermalshockandthermalfatiguestudyofalumina[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2002,22:2187-2196.[27]毛雪松，顾华志，汪厚植.添加熔融石英对MgO材料抗热震性的影响[J].稀有金属材料与工程,2007,36(2):358-361.[28]M.Posarac,M.Dimitrijevic,T.V.Husovicetal.Determinationofthermalshockresistanceofsiliconcarbide/cordieritecompositematerialusingnondestructivetestmethods[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2008,28:1275-1278.[29]D.N.Boccaccini,M.Romagnoli,E.Kamseuetal.Determinationofthermalshockresistanceinrefractorymaterialsbyultrasonicpulsevelocitymeasurement[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2007,27:1859-1863.[30]M.Dimitrijevic,M.Posarac,J.Majstorovicetal.Behaviorofsiliconcarbide/cordieritecompositematerialaftercyclicthermalshock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