【摘 要】
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陶瓷材料在人类历史上应用广泛,但仅限于日用和建筑等。近代以来,电子信息、核工业、航空航天以及装甲防护等领域技术的快速发展,对陶瓷材料提出了更高的要求。氧化铝（Al2O3）陶瓷特殊的晶体结构,赋予了它优异的物化性质,但其本征脆性使它的推广和应用受限。本文以碳纤维布和ZrC协同增强Al2O3陶瓷基复合材料,提出了以碳纤维布和Al2O3-ZrC复合粉体分层铺放,装模加压制备陶瓷素坯（简称为粉体法）;以A
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陶瓷材料在人类历史上应用广泛,但仅限于日用和建筑等。近代以来,电子信息、核工业、航空航天以及装甲防护等领域技术的快速发展,对陶瓷材料提出了更高的要求。氧化铝（Al2O3）陶瓷特殊的晶体结构,赋予了它优异的物化性质,但其本征脆性使它的推广和应用受限。本文以碳纤维布和ZrC协同增强Al2O3陶瓷基复合材料,提出了以碳纤维布和Al2O3-ZrC复合粉体分层铺放,装模加压制备陶瓷素坯（简称为粉体法）;以Al2O3-ZrC复合粉体预填充到碳纤维布后浆料浸渍、干燥制备陶瓷素坯（简称为浆料法）,两种复合工艺路线,并采用SPS放电等离子体热压烧结技术制备Cf/Al2O3-ZrC复合材料,主要研究烧结参数和材料配比对Cf/Al2O3-ZrC复合材料力学性能的影响,并优选出最佳制备条件,观察微观组织,研究其增韧机理。基于颗粒弥散强化和纤维强化的设计原则,设计了以ZrC颗粒和碳纤维协同增韧Al2O3陶瓷基复合材料。基于弹性力学和热力学,研究了ZrC颗粒与Al2O3基体间的物理、化学相容性得知:ZrC颗粒在Al2O3基体中的极限含量为81.95v.%,合理控制烧结温度、ZrC粒径等参数,可以实现增韧效果,两者之间的物理相容性较好;在25～1727℃之间,ZrC颗粒和Al2O3基体不会发生化学反应。以正交试验法研究了在粉体法制备Cf/Al2O3-ZrC复合材料过程中,烧结温度、ZrC含量、碳纤维布层数和施加压力对材料力学性能的影响。按照综合平衡法得出综合性能最优的Cf/Al2O3-ZrC复合材料的制备条件为:烧结温度1600℃、ZrC含量为25wt.%、碳纤维布层数为3层、施加压力为30MPa。在此条件上制备的材料维氏硬度达17.71GPa,抗弯强度达743.73MPa,断裂韧性达5.46MPa·m1/2。观察微观组织发现,材料断裂时的主要方式为沿晶断裂,存在少数的穿晶断裂。以单因素实验法研究了在浆料法制备Cf/Al2O3-ZrC复合材料过程中,ZrC含量、烧结温度、施加压力和保温时间对材料力学性能的影响。当烧结温度为1600℃、ZrC含量为25wt.%、施加压力为50MPa和保温时间为10min时,材料的抗弯强度最高,为739.21MPa;保持烧结温度、ZrC含量和施加压力不变,延长保温时间到20min,材料的断裂韧性和维氏硬度达到最大,分别为7.46MPa·m1/2、18.15GPa。观察并研究其断口形貌得知,烧结温度、ZrC含量和施加压力的增大,有利于细化晶粒,增多穿晶断裂模式,提高材料的力学性能。
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