氧化铝基复相陶瓷的抗热震性研究

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陶瓷具有优异的力学性能、良好的耐高温腐蚀性能和出色的化学稳定性,但其抗热震性通常较差,这使得其应用于铸造镶嵌法制备陶瓷/金属复合材料时受到限制。因此,研究进一步提高陶瓷的抗热震性是非常必要的。本研究通过在Al2O3/莫来石复相陶瓷原料中分别添加AlF3、MgO和ZrSiO4,在复相陶瓷中引入莫来石晶须、堇青石和ZrO2,基于晶须增韧、热膨胀失配和相变增韧的机制,以解决Al2O3/莫来石复相陶瓷热震后强度低等问题。研究原料组成、烧结温度和保温时间对陶瓷物相组成、烧结性能、微观形貌、机械性能和抗热震性能的影响规律,实现对Al2O3/莫来石复相陶瓷抗热震性能的控制。研究结果表明:(1)以Al2O3、SiO2和AlF3为原料,通过注浆成型法制备莫来石晶须增强的Al2O3/莫来石复相陶瓷。随着温度和AlF3添加量的增加,莫来石晶须的长径比降低并粗化。1600℃烧结,AlF3含量5wt%,生长出的莫来石晶须直径为310μm,长径比1015。陶瓷的断口主要表现出穿晶断裂特征。莫来石晶须的桥联作用显著提高陶瓷的断裂韧性,断裂韧性最高达4.79MPa·m1/2。莫来石晶须能够阻碍热震过程中产生的裂纹的扩展,有效增强陶瓷抗热震性。AlF3含量为5wt%,复相陶瓷热震10次后的弯曲强度损失率最低为3.82%。(2)以Al2O3、SiO2和MgO为原料,以适量的PVA溶液作为塑性剂,通过模压成型法制备Al2O3/莫来石/堇青石复相陶瓷。随着MgO添加量的增加,复相陶瓷中开始出现堇青石相,开气孔率增加,体积密度降低。Al2O3/莫来石/堇青石复相陶瓷的弯曲强度和断裂韧性均随着MgO含量增加而降低。基于热失配机制,Al2O3/莫来石/堇青石复相陶瓷热震10次后的弯曲强度损失率最低为7.42%。(3)以Al2O3、ZrSiO4和MgO为原料,以适量的PVA溶液作为塑性剂,通过模压成型法制备Al2O3/ZrO2/莫来石复相陶瓷。随着MgO添加量的增加,t-ZrO2含量增加。过多的MgO加入会生成镁铝尖晶石。基于ZrO2相变增强作用,Al2O3/ZrO2/莫来石复相陶瓷的弯曲强度最大为365.21MPa,陶瓷的断裂韧性达到5.31MPa?m1/2。复相陶瓷热震10次后弯曲强度的损失率最低为5.61%。
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