氧化铝及其复合陶瓷的闪烧制备技术研究

作     者：李金成 

作者单位：东莞理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：马百胜;宋东福

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：增韧技术 闪烧技术 氧化铝复合陶瓷 微观结构 力学性能 

摘      要：氧化铝陶瓷具有优良的力学性能、化学稳定性以及电性能,是现代工业生产中应用最为广泛的一种陶瓷材料。氧化铝陶瓷不仅存在烧结时间较长、烧结温度较高等问题,还具有脆性大、断裂韧性较差等特点,因此发展氧化铝陶瓷增韧技术和低温快速烧结技术具有重要意义。本文以氧化铝为基体,尝试添加第二相对其进行增韧,采用了一种新型的电场辅助烧结技术（闪烧技术）,成功制备了氧化铝陶瓷和氧化铝复合陶瓷。 氧化铝陶瓷的闪烧行为研究表明,氧化铝陶瓷的闪烧温度随预烧结温度的升高先降低后不变,其闪速烧结与介电击穿之间具有很强的相似性,且闪烧致密化不需要较大的电流密度。通过预烧结温度对闪烧氧化铝陶瓷的相对密度、微观结构、力学性能的影响研究表明,当预烧结温度为900℃-1100℃（初始相对密度为59%-62%）时,随着预烧结温度的升高,闪烧氧化铝陶瓷的相对密度、硬度和平均晶粒尺寸逐渐增大,断裂韧性逐渐减小,闪烧后样品相对密度约提升39%;当预烧结温度为1200℃-1300℃（初始相对密度为75%-95%）,闪烧后样品的相对密度约提升5%,提升1200℃预烧结样品的闪烧炉温,样品的致密度和力学性能显著提升。通过电流密度对闪烧氧化铝陶瓷的相对密度、微观结构、力学性能的影响研究表明,闪烧氧化铝陶瓷的相对密度随电流密度的增大先增大后减小,晶粒尺寸随电流密度的增大而增大,断裂韧性基本不变。当电流密度为7 m A/mm时,样品的相对密度最高为99%,硬度最高为21.1 GPa,断裂韧性为2.5 MPa·m,平均晶粒尺寸为0.65μm。通过闪烧热处理时间对致密氧化铝陶瓷的影响研究表明,致密氧化铝陶瓷（1500℃预烧结）相对密度和硬度随恒流时间的增大逐渐减小,孔隙和晶粒尺寸随恒流时间的增加而逐渐增大。 闪烧制备氧化铝复合陶瓷的研究表明,闪烧法制备碳化硅晶须（Si C）增韧氧化铝复合陶瓷和氧化铝晶须(AlO)增韧氧化铝复合陶瓷效果不理想,闪烧法制备氧化锆增韧氧化铝（ZTA）复合陶瓷是一种可行的方法。纳米级氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷的硬度和断裂韧性随氧化锆体积分数的增大先增大后减小,随电流密度的增大而增大,随电场强度的增大而减小,当电流密度或电场强度过大,会对样品产生破坏;当氧化锆体积分数为20 vol.%、电场强度为500 V/cm、电流密度为16 m A/mm时,闪烧制备样品的硬度值和断裂韧性值最高,分别为18.15 GPa和5.69 MPa·m。