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SiC-BN层状陶瓷复合材料叠层方式优化设计

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复合材料学报 2021年第10期38卷 3424-3431页

作者：曾翔龙宗郑邓琼王波李玉龙张程煜西北工业大学航空学院西安710072 西北工业大学材料学院西安710072

层状陶瓷复合材料可有效提高纯陶瓷材料的韧性,受到研究者的广泛关注。在材料设计阶段,通过优化叠层方式可显著提高层状陶瓷的力学性能。然而,在现有研究中缺乏叠层方式的优化设计方法。本研究采用基于复合梁模型的遗传算法得到了最优... 详细信息

层状陶瓷复合材料可有效提高纯陶瓷材料的韧性,受到研究者的广泛关注。在材料设计阶段,通过优化叠层方式可显著提高层状陶瓷的力学性能。然而,在现有研究中缺乏叠层方式的优化设计方法。本研究采用基于复合梁模型的遗传算法得到了最优层厚比;针对SiC-BN层状陶瓷复合材料5∶1、10∶1和梯度体三种铺层形式采用流延成型结合无压烧结法进行材料制备,并进行了完好试件和含缺口试件的三点弯曲试验;基于宏观损伤分析对其增韧机制进行了分析。试验结果表明:通过解析方法计算得到的最优梯度体层状陶瓷的弯曲强度达到434.5 MPa。其力学性能相比于固定层厚比铺层方式有较大提高,同时还保持了较高的缺陷不敏感特性。进一步分析表明:受拉部分分布的较多软层和受压部分分布的较厚硬层是梯度体结构较好性能的重要原因。

关键词：层状陶瓷复合材料叠层方式优化设计遗传算法增韧机制

层厚比和硬夹层组成对B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料性能的影响

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中国陶瓷 2018年第5期54卷 48-51页

作者：刘维良刘硕琦史重涛陈建华景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院

以B4C为基体层材料,BNNTs为基体层补强增韧剂,TiB2为硬夹层,采用水基流延成型和热压烧结工艺制备了B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料。研究了基体层与硬夹层的层厚比、硬夹层组成和烧结温度对层状陶瓷复合材料的显微结构和力学性能... 详细信息

以B4C为基体层材料,BNNTs为基体层补强增韧剂,TiB2为硬夹层,采用水基流延成型和热压烧结工艺制备了B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料。研究了基体层与硬夹层的层厚比、硬夹层组成和烧结温度对层状陶瓷复合材料的显微结构和力学性能的影响。实验结果表明：当层厚比为1,硬夹层组份为80 wt%TiB2＋20 wt%B4C,烧结温度为2050℃时,可以制备出力学性能良好的B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料,其抗弯强度和断裂韧性分别达到570.54 MPa和7.74 MPa·m^1/2。

关键词： B4C-BNNTs/TiB2-B4C 层状陶瓷复合材料水基流延热压烧结

水基流延成型和热压烧结制备TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的研究

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陶瓷学报 2016年第6期37卷 658-662页

作者：阮杰平刘维良景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院江西景德镇333403

以二硼化钛(TiB_2)为硬夹层,硅(Si)粉为基体层碳化硼(B4C)的烧结助剂,氮化硼纳米管(BNNTs)为基体层的补强增韧剂,聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂,甘油为增塑剂,采用水基流延成型工艺制备TiB_2流延膜。研究了分散... 详细信息

以二硼化钛(TiB_2)为硬夹层,硅(Si)粉为基体层碳化硼(B4C)的烧结助剂,氮化硼纳米管(BNNTs)为基体层的补强增韧剂,聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂,甘油为增塑剂,采用水基流延成型工艺制备TiB_2流延膜。研究了分散剂含量、粘结剂含量、增塑剂与粘结剂质量比值(R值)以及固相含量对TiB_2流延浆料流变性的影响。实验结果表明:当PEI含量为2wt.%,CMC含量为5wt.%,R值为0.9,固含量为55 wt.%时可制备出高质量的TiB_2流延膜。与本实验室已制备的B_4C-BNNTS流延膜以不同层厚比进行叠层、热压烧结制备出TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料。实验结果表明:当基体层与硬夹层的层厚比为1.8:1时,预制体于2040℃、30 MPa下热压烧结30 min制备的TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的力学性能最佳,其抗弯强度和断裂韧性分别达到598.63 MPa和7.84 MPa·m^(1/2)。

关键词： Ti B2/B4C-BNNTs 层状陶瓷复合材料 Ti B2水基流延热压烧结

BNNTs-B4C/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料的制备与性能研究

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BNNTs-B4C/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料的制备与性能研究

作者：阮杰平景德镇陶瓷大学

学位级别：硕士

本文以二硼化钛(TiB)为硬夹层,硅(Si)粉为基体层碳化硼(BC)的烧结助剂,氮化硼纳米管(BNNTs)为基体层的补强增韧剂,聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂,甘油为增塑剂,采用水基流延成型工艺分别制备BNNTs-BC流延膜和Ti... 详细信息

本文以二硼化钛(TiB)为硬夹层,硅(Si)粉为基体层碳化硼(BC)的烧结助剂,氮化硼纳米管(BNNTs)为基体层的补强增韧剂,聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂,甘油为增塑剂,采用水基流延成型工艺分别制备BNNTs-BC流延膜和TiB流延膜。通过不同层厚比叠层,热压烧结制备BNNTs-BC/TiB-BC层状陶瓷复合材料。系统地研究了分散剂含量及pH值对BC悬浮液粘度的影响,粘结剂含量、增塑剂与粘结剂质量比值(R值)、球磨时间等因素对BNNTs-BC流延浆料流变性和流延膜强度的影响。研究了分散剂含量、粘结剂含量、R值、固相含量和球磨时间等因素对TiB流延浆料流变性的影响。实验结果表明:当PEI含量为3 wt%,CMC含量为7.2wt%,R值为0.9,二次球磨时间为13h时可制备出高质量的BNNTs-BC流延膜。当PEI含量为2wt%,CMC含量为5wt%,R值为0.9,二次球磨时间为11h时可获得固含量为55wt%的TiB水基流延浆料。研究了层厚比和硬夹层组成分别对BNNTs-BC/TiB-BC层状陶瓷复合材料组织结构与力学性能的影响,同时探讨了BNNTs-BC/TiB-BC层状陶瓷复合材料的增韧机理。采用XRD、SEM等分析测试手段,对BNNTs-BC/TiB-BC层状陶瓷复合材料的物相和显微结构进行表征,并测试其弯曲强度和断裂韧性。实验结果表明:当基体层与硬夹层的层厚比为1.8:1,硬夹层组成为80 wt%TiB+20wt%BC,预制体于2040℃、30MPa下热压烧结30min制备的BNNTs-BC/TiB-BC层状陶瓷复合材料的力学性能最佳,其抗弯强度和断裂韧性分别达到598.63 MPa和7.84MPa·m1∕2,比夹层未添加BC的样品分别提高了28.82%和11.68%。探讨BNNTs和层状结构对BNNTs-BC/TiB-BC层状陶瓷复合材料的增韧机理。研究表明:BNNTs的增韧机理是拨出效应增韧、桥联增韧、裂纹偏转增韧和残余应力增韧;层状结构增韧机理是裂纹偏转增韧和残余应力增韧。BNNTs-BC/TiB-BC层状陶瓷复合材料优异的力学性能是以上增韧机理的综合作用。

关键词： BNNTs-B4C/TiB2-B4C 层状陶瓷复合材料水基流延增韧机理

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层状陶瓷复合材料制备技术的研究进展

陶瓷 2003年第3期 15-19,24页

作者：刘开平周敬恩西安交通大学材料学院

论述了层状陶瓷复合材料的性能特点以及这种材料的发展现状 ,从基体及夹层材料的类型选择和匹配、结构及界面的设计、工艺参数的选取、料浆制备、薄层预制、复合成形、排胶烧结等方面介绍了当前层状陶瓷制备工艺技术的研究进展 ;从性能... 详细信息

论述了层状陶瓷复合材料的性能特点以及这种材料的发展现状 ,从基体及夹层材料的类型选择和匹配、结构及界面的设计、工艺参数的选取、料浆制备、薄层预制、复合成形、排胶烧结等方面介绍了当前层状陶瓷制备工艺技术的研究进展 ;从性能及结构优化等方面探讨了在复合材料发展中目前存在的不足 ,指出了进一步研究应该解决的问题和未来的发展前景。

关键词：层状陶瓷复合材料制备技术进展结构设计

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基于贝壳结构仿生复合材料的制备及性能调控

基于贝壳结构仿生复合材料的制备及性能调控

作者：韩东晓中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

轴承作为钻井系统中重要的运动组件,在钻井过程中容易发生损坏,所以轴承材料的性能和使用寿命,极大的影响了钻井效率和工程成本。陶瓷材料硬度大、耐磨损、在摩擦过程中存在自润滑现象,这些优越的性质使其得以在众多领域得到应用,但是... 详细信息

轴承作为钻井系统中重要的运动组件,在钻井过程中容易发生损坏,所以轴承材料的性能和使用寿命,极大的影响了钻井效率和工程成本。陶瓷材料硬度大、耐磨损、在摩擦过程中存在自润滑现象,这些优越的性质使其得以在众多领域得到应用,但是陶瓷材料也有些不可忽视的缺点,比如韧性较差。这一性能缺陷严重的限制了陶瓷材料的应用。贝壳所具有的微观结构,使自身在保证良好强度的同时,也获得了优良的韧性。将这一结构移植到陶瓷中,制得仿贝壳结构陶瓷复合材料,提高了陶瓷材料的韧性,可以用作油气井特殊工况的轴承材料。此外,除陶瓷结构外,增强相成分的选择也对复合材料的性能也有重要的影响。因此本文使用三种纳米颗粒材料,分别对PMMA材料进行摩擦学性能改善,分别是Zr O、Ti O和Si O。试验制得包括空白对照组在内的16种样品,经表面处理后进行摩擦磨损试验,试验发现在不同工况下,三种材料对PMMA材料的增强效果并不相同。在水基钻井液条件下添加1%Zr O的复合材料减磨效果最明显。在干摩擦条件下,添加1%Ti O、1%Zr O、1%Si O、3%Si O和7%Si O后材料摩擦系数下降明显。在水基润滑条件下,添加1%Zr O、3%Zr O、1%Si O、3%Si O、5%Si O和7%Si O的复合材料都起到了较好的减磨效果。本文使用粒径为13nm的AlO粉末制得陶瓷浆料,经过定向凝固、冷冻干燥及高温烧结制得五种含水量的多孔陶瓷骨架,由于钻井轴承的正常工作环境水基钻井液,且添加1%Zr O的PMMA材料在各工况下,均表现良好,故采用添加了1%Zr O的PMMA作为层状陶瓷的增强相材料。使用本体聚合的方法,将增强相材料通过预聚、灌模、聚合、脱模等过程,填充进多孔陶瓷骨架的孔隙之间,制的层状陶瓷复合材料AlO/PMMA/Zr O。对材料进行表面处理后对其进行了摩擦磨损试验,并使用扫描电镜观察了其微观结构。试验发现在水基钻井液条件下,材料的摩擦系数随着加载载荷的提高,首先持续减小到最低值后转而上升,干摩擦条件下,随着加载载荷的提高,材料摩擦系数大体呈现上升趋势,干摩擦条件下,随着加载载荷的提高,材料摩擦系数大体呈现下降趋势。本文对制得的复合材料进行了冲蚀试验,试验发现冲蚀角度为90°时,材料的冲蚀磨损程度随着材料PMMA含量的下降而趋于严重;在冲蚀角度为45°时,材料的冲蚀磨损程度,随着材料PMMA含量的上升而提高;在冲蚀角度为60°时,材料的冲蚀磨损程度随着材料PMMA含量的下降先减小后增加,当材料PMMA含量为80%时的冲蚀磨损量最小。

关键词：粒子增强层状陶瓷复合材料摩擦磨损冲蚀