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振荡压力烧结制备碳化硅基陶瓷材料及其力学与摩擦学性能研究

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振荡压力烧结制备碳化硅基陶瓷材料及其力学与摩擦学性能研究

作者：杨一凡武汉科技大学

学位级别：硕士

SiC陶瓷具有优异的高硬度、高强度、低密度等性能,广泛应用于滑动轴承、机械密封圈、汽车水泵圈等耐磨领域。然而,作为一种共价键结合的结构材料,SiC陶瓷难以烧结致密及高脆性缩短了其服役寿命。以往的研究工作多采用恒定压力烧结和引... 详细信息

SiC陶瓷具有优异的高硬度、高强度、低密度等性能,广泛应用于滑动轴承、机械密封圈、汽车水泵圈等耐磨领域。然而,作为一种共价键结合的结构材料,SiC陶瓷难以烧结致密及高脆性缩短了其服役寿命。以往的研究工作多采用恒定压力烧结和引入第二相来促进材料致密化和强韧化,但仍存在难以完全致密烧结和协同增强增韧SiC基陶瓷的问题。同时,SiC陶瓷在服役过程的摩擦磨损严重,对于如何调控SiC基陶瓷耐磨性的影响因素还缺乏系统地研究。针对上述问题,本论文采用动态振荡压力烧结技术,首先研究二维碳材料-石墨烯纳米片(GNPs)对SiC陶瓷显微结构及力学性能的影响;随后引入一维材料-碳化硅晶须(SiCw)为增强相来提升SiC陶瓷的强度和韧性;在此基础上,复合添加GNPs和SiCw为增强相,探讨SiC基陶瓷的力学性能与强韧化机理;最后,系统研究SiC基陶瓷的摩擦学性能和磨损行为,揭示材料的摩擦磨损机理。研究工作主要包括GNPs和SiCw单一或复合添加对SiC基陶瓷致密化行为、显微结构、力学及摩擦学性能的影响,并揭示其强韧化与摩擦磨损机理。通过上述研究工作,可以得出以下结论:1.添加1 wt%GNPs有效改善了SiC基陶瓷的力学性能。GNPs的引入,一方面发挥其自润滑作用促进了材料的致密化,另一方面通过细化晶粒和产生更多的裂纹桥接、裂纹偏转以及GNPs拔出有效抵抗裂纹的产生与扩展,制备的SiC-1 wt%GNPs复合材料具有最佳的力学性能,其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为27.84 GPa、7.11 MPa·m和515 MPa。***和GNPs的复合引入显著促进了SiC基陶瓷材料的强韧化。SiC-6 wt%SiCw复合材料相对密度为99.45%,其断裂韧性和抗弯强度分别为6.66 MPa·m和733 MPa;材料中晶粒长径比的增加以及SiCw的载荷转移作用有效提升了材料强度。此外,SiC-1 wt%GNPs-5 wt%SiCw陶瓷材料具有最佳的力学性能,其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为31.55 GPa、7.32 MPa·m和742 MPa;主要的增韧机制为裂纹的偏转、桥接以及GNPs与SiCw的桥接等。***良好的自润滑效果和SiC基陶瓷材料强韧化的提升显著增强了材料耐磨性。外加载荷的增加(20～60 N)导致材料脆性剥离和磨粒磨损的出现,摩擦应力以及材料表面粗糙度的增加加大了磨损率;滑动速度的增加(2～6 m/min)使得材料磨损表面温度的升高以及磨损接触面积的减少,进一步降低了材料耐磨性;不同摩擦副(GCr15、SiN、SiC、YG6和TC4)对材料的磨损率影响变化可归因于摩擦副与材料硬度的差异。SiC-1 wt%GNPs-5 wt%SiCw陶瓷材料在与GCr15球循环往复干摩擦过程中具有最佳的摩擦学性能,摩擦系数低至0.52,磨损率为3.28×10mm·N·m。

关键词：碳化硅陶瓷振荡压力烧结显微结构力学性能耐磨性

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振荡压力烧结制备碳化硼陶瓷及烧结机理研究

振荡压力烧结制备碳化硼陶瓷及烧结机理研究

作者：李纪河郑州航空工业管理学院

学位级别：硕士

碳化硼是一种战略材料,其具有更低的密度和更低的线性热膨胀系数,同时又具有可排至前三位的高硬度和高的弹性模量,这使其成为优异结构陶瓷的候选。碳化硼还具有高熔点、良好的热稳定性、较强的抗化学侵蚀能力和中子吸收等一系列优良性能... 详细信息

碳化硼是一种战略材料,其具有更低的密度和更低的线性热膨胀系数,同时又具有可排至前三位的高硬度和高的弹性模量,这使其成为优异结构陶瓷的候选。碳化硼还具有高熔点、良好的热稳定性、较强的抗化学侵蚀能力和中子吸收等一系列优良性能,现阶段在高温结构零部件、高温热电元件、核反应堆材料、爆破喷嘴、中子吸收和防辐射材料领域具有广阔的应用前景。但是,由于碳化硼原子之间的高共价键含量、高熔点、低扩散系数和高蒸汽压导致其致密化非常困难,这严重影响了碳化硼陶瓷在实际社会中的应用。因此,针对这一现状系统研究了碳化硼陶瓷的致密化行为。论文使用振荡压力烧结技术制备碳化硼陶瓷,所采用的原材料是2-3μm的碳化硼粉末。振荡压力烧结技术是在热压的基础上使静态的压力成为振荡变化的动态压力,相比热压烧结,振荡压力烧结可获得更高的致密度,更小的晶粒尺寸和更均匀的结构,从而极大地改善材料的力学性能。因此,本文通过振荡压力烧结技术在不同的烧结温度和烧结压力条件下来制备碳化硼陶瓷,同时对比热压烧结技术,对烧结样品的微观组织、致密度和力学性能等方面进行分析。并且对振荡压力烧结技术下的致密化动力学和致密化机理进行了探索。结果表明,在不同烧结温度的实验中,振荡压力烧结技术相比热压烧结技术可以在更低的温度下以及更低的压力下制备出完全致密的碳化硼陶瓷,并且具有更优异的力学性能。对比研究了外加振荡力场和静态力场对碳化硼陶瓷烧结致密化过程,相比静态力场,振荡力场下碳化硼陶瓷具有更高的致密化速率。从而进一步分析了不同烧结温度下的致密化机理,结果表明振荡压力烧结技术的致密化过程以位错滑移塑性变形为主。在不同烧结压力的实验中,结果表明,1750C振荡烧结应力指数1

关键词：碳化硼振荡压力烧结致密化致密化机理力学性能

振荡压力烧结Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的研究

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振荡压力烧结Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的研究

作者：杨陆通郑州航空工业管理学院

学位级别：硕士

AlO-Ti(C,N)复相陶瓷是一种常用的黑色陶瓷刀具材料,具有优异的高温稳定性、化学稳定性、耐磨性、耐腐蚀性等特点,但其韧性差仍是阻碍其发展的关键因素。硬度仅次于金刚石的立方氮化硼(cBN)作为一种硬质颗粒增韧相,可以在增韧的同时,不... 详细信息

AlO-Ti(C,N)复相陶瓷是一种常用的黑色陶瓷刀具材料,具有优异的高温稳定性、化学稳定性、耐磨性、耐腐蚀性等特点,但其韧性差仍是阻碍其发展的关键因素。硬度仅次于金刚石的立方氮化硼(cBN)作为一种硬质颗粒增韧相,可以在增韧的同时,不降低基体的硬度和耐磨性,因而受到广泛关注。但是cBN难烧结的特性使得制备物相稳定、致密度高的复相陶瓷成为难点。本文将采用振荡压力烧结技术制备高性能AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料以解决上述问题。首先以AlO-Ti(C,N)复相陶瓷为研究对象,分析其致密化过程和机理,为优选AlO-Ti(C,N)-cBN多相陶瓷的烧结工艺提供参考;然后研究不同烧结温度下AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的微观组织和力学性能的演变;最后采用振荡压力烧结锻造工艺进一步优化AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的性能。本文采用阿基米德排水法测量陶瓷材料的密度,采用压痕法测试其硬度和断裂韧性,采用三点弯曲法测试其弯曲强度,并通过XRD、SEM、EDS等表征多相陶瓷的物相和微观组织演变,最终建立振荡烧结工艺-组织-性能之间的关系。研究发现:振荡压力烧结AlO-Ti(C,N)复相陶瓷在1400℃下没有发生化学反应或相变。AlO-Ti(C,N)复相陶瓷的性能均随着振荡压力的增大而增加,当振荡中值压力为70MPa时,其相对密度、硬度和抗弯强度分别为99.99%、22.7GPa和693MPa;振荡压力烧结AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料中,烧结温度为1500℃时,AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的力学性能最好,其相对密度、维氏硬度、抗弯强度以及断裂韧性分别达到99.43%、21.45GPa、731MPa和5.69MPa·m。振荡压力烧结锻造工艺可以将AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的热稳定性提高到1600℃,其硬度达20GPa,弯曲强度达647MPa,断裂韧性达5.23MPa·m。当烧锻温度达到1800℃时,多相陶瓷中形成的弯曲晶界,促使AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧性分别增加到877MPa和6.59MPa·m。振荡压力烧结技术能够显著提升氧化铝基陶瓷刀具材料的力学性能,优于热压烧结陶瓷材料的性能,而振荡压力烧结锻造技术更是能大幅度提升氧化铝基陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧性。因而,振荡压力烧结技术和振荡压力烧结锻造技术有望制备出高性能氧化铝基陶瓷刀具,解决对高性能切削刀具的迫切需求。

关键词： Al2O3-Ti(C,N)-cBN 陶瓷刀具振荡压力烧结烧结锻造力学性能

Si_(3)N_(4)粉粒度对振荡压力烧结Si_(3)N_(4)陶瓷的影响

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耐火材料 2022年第3期56卷 214-217,221页

作者：徐广平何江荣刘鹏程茆忠军秦笑威谢志鹏江苏中磊节能科技发展有限公司江苏盐城224299 清华大学材料学院北京100083

为了提高Si_(3)N_(4)陶瓷的烧结致密度,采用振荡压力烧结工艺分别在1745和1775℃制备了Si_(3)N_(4)陶瓷,主要研究了Si_(3)N_(4)粉的粒度(平均粒径分别为0.4、2.0、2.3μm)对Si_(3)N_(4)陶瓷的显微结构和性能的影响。结果显示:1)在两种... 详细信息

为了提高Si_(3)N_(4)陶瓷的烧结致密度,采用振荡压力烧结工艺分别在1745和1775℃制备了Si_(3)N_(4)陶瓷,主要研究了Si_(3)N_(4)粉的粒度(平均粒径分别为0.4、2.0、2.3μm)对Si_(3)N_(4)陶瓷的显微结构和性能的影响。结果显示:1)在两种温度的振荡压力烧结工艺下,由三种不同粒度的Si_(3)N_(4)粉制备的Si_(3)N_(4)陶瓷的相对密度都很大,为99.65%~99.86%,彼此相差很小。2)由平均粒径为0.2μm的Si_(3)N_(4)粉在1745℃烧结制备的试样的微观结构最均匀,其β-Si_(3)N_(4)晶粒平均长径比、抗弯强度和维氏硬度均最大,分别达到5.0、(1364±65)MPa和(15.72±0.8)GPa;由平均粒径为2.3μm的Si_(3)N_(4)粉在1745℃烧结制备的试样的β-Si_(3)N_(4)晶粒的平均长径比、抗弯强度和维氏硬度均最小,分别为3.3、(846±49)MPa和(13.82±0.8)GPa。

关键词： Si_(3)N_(4)陶瓷振荡压力烧结相对密度长径比抗弯强度维氏硬度

振荡压力烧结氮化硅陶瓷微观形貌及其力学性能

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硅酸盐学报 2020年第6期48卷 803-809页

作者：秦笑威盛利文李双谢志鹏景德镇陶瓷大学材料学院江西景德镇333000 株洲万融新材科技有限公司湖南株洲412000 山东理工大学资源与环境工程学院山东淄博255049 清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室北京100084

在氮化硅粉料中引入Al2O3、Y2O3和TiC,采用振荡压力烧结技术制备氮化硅陶瓷材料。研究了不同温度(1700、1725、1750、1775℃)氮化硅的微观形貌、晶粒尺寸的变化及其对氮化硅力学性能的影响。探讨了第二相TiC的加入对粉体致密化及界面结... 详细信息

在氮化硅粉料中引入Al2O3、Y2O3和TiC,采用振荡压力烧结技术制备氮化硅陶瓷材料。研究了不同温度(1700、1725、1750、1775℃)氮化硅的微观形貌、晶粒尺寸的变化及其对氮化硅力学性能的影响。探讨了第二相TiC的加入对粉体致密化及界面结合性能的影响。结果表明:在振荡压力烧结工艺下氮化硅陶瓷在1725℃时即可达到完全致密化并获得高的抗弯强度与硬度,其抗弯强度、Vickers硬度值分别为(1421±59)MPa和(16.1±0.3)GPa。试样晶粒的长径比同样是随着温度的升高先增大后降低,其中,晶粒长径比最大的是1725℃烧结的试样,当温度继续升高至1775℃时,晶粒的长径比下降明显,晶粒粗化。氮化硅的抗弯强度与硬度在温度高于1725℃时开始也随着长径比下降而减小。

关键词：氮化硅陶瓷振荡压力烧结晶粒长径比抗弯强度

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振荡压力烧结制备陶瓷材料的研究进展

中国建材科技 2023年第1期32卷 69-73页

作者：王晓东王营营王伟伟李伶宋涛王飞赵杰毕鲁南徐先豹隋松林山东工业陶瓷研究设计院有限公司山东淄博255000

振荡压力烧结是一种新兴烧结技术,烧结时通过频率化振荡压力,增强晶间物质扩散速率,提高致密化速率及晶粒不同方向上的生长驱动力,加大陶瓷致密性,提升陶瓷材料性能。本文综述了采用振荡压力烧结方式制备多种氧化物陶瓷及非氧化物陶瓷,... 详细信息

振荡压力烧结是一种新兴烧结技术,烧结时通过频率化振荡压力,增强晶间物质扩散速率,提高致密化速率及晶粒不同方向上的生长驱动力,加大陶瓷致密性,提升陶瓷材料性能。本文综述了采用振荡压力烧结方式制备多种氧化物陶瓷及非氧化物陶瓷,并与传统致密化烧结方式进行性能对比,分析振荡烧结方式制备陶瓷的优势,以期为制备高致密度陶瓷提供参考。

关键词：振荡压力烧结陶瓷材料研究进展

烧结温度对振荡压力烧结工艺制备高性能氧化锆陶瓷的影响

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稀有金属材料与工程 2020年第2期49卷 639-643页

作者：韩耀李海燕谢志鹏王华栋李淑琴航天特种材料及工艺技术研究所北京100074 清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室北京100084

采用新型振荡压力烧结技术制备了高性能氧化锆陶瓷,并系统研究了该工艺中烧结温度对于氧化锆陶瓷中致密度、晶粒尺寸、微观结构以及力学性能的影响。结果表明:在振荡压力烧结工艺下,随着烧结温度的提高,氧化锆试样致密度变化不明显,但... 详细信息

采用新型振荡压力烧结技术制备了高性能氧化锆陶瓷,并系统研究了该工艺中烧结温度对于氧化锆陶瓷中致密度、晶粒尺寸、微观结构以及力学性能的影响。结果表明:在振荡压力烧结工艺下,随着烧结温度的提高,氧化锆试样致密度变化不明显,但晶粒尺寸不断增加,试样表面均几乎无气孔。当目标温度达到1300℃时,氧化锆陶瓷的硬度和抗弯强度均最大,分别为16.6 GPa和1455 MPa。相比常压和热压烧结工艺,振荡压力的引入明显降低了氧化锆陶瓷的致密化温度,且获得了更高的力学强度和断裂可靠性。

关键词：氧化锆烧结温度振荡压力烧结性能显微结构

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基于振荡压力烧结的氧化锆陶瓷水热老化行为

硅酸盐学报 2020年第3期48卷 391-398页

作者：李双孟兆禄谢志鹏魏春城王鹏周立娟山东理工大学资源与环境工程学院山东淄博255049 潍坊市生态环境局临朐分局山东潍坊262600 清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室北京100084

采用振荡压力烧结法制备了致密度高、晶粒细化、力学性能优异的氧化锆陶瓷,研究了水热老化时间对两种氧化锆陶瓷(振荡压力烧结OPS,热压烧结HP)的显微结构、相变及力学性能的作用规律及机制。Raman分析表明:随着老化时间的延长,2种材料... 详细信息

采用振荡压力烧结法制备了致密度高、晶粒细化、力学性能优异的氧化锆陶瓷,研究了水热老化时间对两种氧化锆陶瓷(振荡压力烧结OPS,热压烧结HP)的显微结构、相变及力学性能的作用规律及机制。Raman分析表明:随着老化时间的延长,2种材料中单斜相氧化锆的含量缓慢增加,但OPS氧化锆在178、189 cm-1处的峰值强度显著低于HP氧化锆。水热老化导致氧化锆表面微裂纹、颗粒粗化等现象,当老化时间为18 h时OPS氧化锆和HP氧化锆的抗弯强度分别为1216和878 MPa。纳米压痕测试表明:OPS氧化锆的力学参数显著优于HP氧化锆。因此,OPS烧结技术有望极大拓展氧化锆陶瓷在生物医学领域的应用。

关键词：振荡压力烧结相变抗弯强度晶粒尺寸

新型振荡压力烧结工艺对高性能氮化硼陶瓷微观结构和性能的影响

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硅酸盐学报 2021年第12期49卷 2549-2555页

作者：韩耀谢志鹏李海燕董衡张冰清航天特种材料及工艺技术研究所北京100074 清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室北京100084 中国建材检验认证集团股份有限公司北京100024

采用新型振荡压力烧结工艺(OPS)制备了h-BN陶瓷,研究了振荡压力对h-BN陶瓷烧结致密化以及晶粒生长的影响,并结合致密度、微观结构及断裂可靠性等因素,对不同烧结工艺下的氮化硼陶瓷的晶粒定向程度以及力学和热学性能进行了探究。研究表... 详细信息

采用新型振荡压力烧结工艺(OPS)制备了h-BN陶瓷,研究了振荡压力对h-BN陶瓷烧结致密化以及晶粒生长的影响,并结合致密度、微观结构及断裂可靠性等因素,对不同烧结工艺下的氮化硼陶瓷的晶粒定向程度以及力学和热学性能进行了探究。研究表明:与采用热压烧结工艺(HP)制备的氮化硼陶瓷相比,采用OPS工艺制备的陶瓷表面更为致密,断面的晶粒定向排列逐渐清晰,高比例平行排列的片状BN晶粒能有效提高BN陶瓷的致密化程度。OPS试样的硬度、断裂韧性以及抗弯强度最高分别达到了0.31 GPa、1.09 MPa·m^(1/2)和74.4 MPa,较相同烧结参数下的HP试样有了大幅提升。结合XRD谱计算出的晶粒定向排列数据可知,振荡压力的引入明显促进了氮化硼陶瓷的致密化烧结,断裂可靠性和热导率均获得了提高。

关键词：氮化硼振荡压力烧结力学性能热导率显微结构