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陶瓷具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、高硬度等优良特性,具有广阔的应用前景。尤其纳米陶瓷具有更加优异的性能,为传统陶瓷存在的难于加工、脆性高等问题的解决提供了可能手段。但目前成型纳米陶瓷仍然比较困难,一般获得的陶瓷韧性也较低。
Al2O3、SiC是应用最广泛的陶瓷材料中的两种。本文在国家863课题资助下,针对以上纳米陶瓷成型中存在的问题,以纳米Al2O3为主,对这两种纳米陶瓷材料的成型方法(包括有模成型和激光无模快速成型)和工艺进行了研究。
在纳米陶瓷有模成型方面,建立了热压+脉冲电流复合烧结工艺,即在热压烧结的前期和后期阶段加入脉冲电流烧结工艺,并制作了具有该复合烧结功能的设备。实验和研究表明:该工艺设备对纳米陶瓷成型效果较好。利用该工艺制备了晶粒细小、致密度高、性能较好的氧化铝基复合材料块体。本文对其工艺原理和烧结机理进行了分析。
陶瓷成分配方研究发现,在Al2O3粉体内复合一定量的Al和Fe可以达到降低Al2O3陶瓷烧结温度、提高陶瓷致密度、细化陶瓷晶粒并提高陶瓷韧性的目的。分析原因是该复合粉体在烧结时发生一系列化合反应,放出能量,促进了烧结。反应形成的Al-Fe、Al-O-C等第二相物质具有细化Al2O3晶粒、提高陶瓷韧性的作用。
不同成分配比的Al2O3-Al-Fe复合粉体烧结效果不同。原因是当Al2O3粉体内复合的Al、Fe含量变化时,烧结后形成的第二相物质种类和含量不同,直接导致陶瓷的组织、致密度和性能的变化。实验采用Al2O3-11.12wt%Al-16.8wt%Fe复合粉体制得了平均晶粒尺寸为730nm、断裂韧性8.04MPa·m1/2、维氏硬度60.12GPa的氧化铝基陶瓷材料。断裂韧性和硬度值均为普通氧化铝陶瓷的两倍多。
提出一种新的球磨工艺,即在采用球磨法制备复合粉体时,粉体中的某种复合成分由同种成分的球磨罐和磨球中获得,这样可以避免通常球磨时的杂质引入问题,且更有利于获得成分均匀的复合粉体。
用激光分层熔化直接成型方法得到了形状完整、无宏观裂纹的Al2O3陶瓷管件。实验表明粉体预热有利于防止成型体开裂。对成型件内气孔形成、晶粒长大且出现定向生长、局部组织不均匀等问题产生的原因进行了分析。
激光法制备铝合金表面陶瓷复合涂层研究表明:纳米Al2O3、SiC涂层比微米陶瓷涂层组织均匀、细小。几种陶瓷涂层中,纳米SiC涂层组织及与基材结合效果最好。实验表明:陶瓷颗粒大小及其在涂层中的分布状态直接影响涂层组织特征、涂层与基材间的结合状态。
为本课题设计制造了一种新的陶瓷激光成型系统,该系统以液态光敏树脂作为固结剂。该技术可以避免陶瓷成型时的粉体团聚现象,有利于加快粉体致密化速度,获得更为均匀的陶瓷组织,成型体可作为烧结制备致密陶瓷的前驱体。