AlON及其陶瓷復(fù)合材料的制備、組織與性能研究.pdf

1、尖晶石型氧氮化鋁(AlON)具有密度低、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和光學(xué)性能，已在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、耐火材料和高溫窗口材料等領(lǐng)域成為一種頗具潛力的陶瓷材料。本文首先采用熱壓燒結(jié)工藝制備了致密度高、性能優(yōu)異的AlON陶瓷材料;然后，為了進(jìn)一步提高AlON陶瓷材料的力學(xué)性能，本實(shí)驗(yàn)向AlON材料中分別引入碳化硅(SiC)和氮化鋯(ZrN)相，制備了新型的SiC-AlON和ZrN-AlON陶瓷復(fù)合

2、材料。深入研究了AlON及其陶瓷復(fù)合材料的燒結(jié)行為、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、抗氧化性能、抗熱震性能和抗鋼液侵蝕性能。本研究對(duì)開(kāi)發(fā)新型的AlON基陶瓷復(fù)合材料和拓寬其應(yīng)用范圍等具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　實(shí)驗(yàn)使用Al2O3和AlN為主要原料，先通過(guò)高溫固相反應(yīng)合成AlON粉體，然后通過(guò)熱壓燒結(jié)法制備高純度的AlON陶瓷材料。其相對(duì)密度、維氏硬度、楊氏模量、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為97.6％、13.8 GPa、237

3、 GPa、296MPa和1.5 MPa·m1/2。
　　實(shí)驗(yàn)采用熱壓燒結(jié)成功制備了性能優(yōu)異的SiC-AlON陶瓷復(fù)合材料。SiC顆粒主要分布于AlON基體的晶界位置，在燒結(jié)過(guò)程中由于SiC釘扎晶界，起到了細(xì)化晶粒的作用。隨著SiC含量的增加，陶瓷復(fù)合材料的維氏硬度、楊氏模量、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)SiC的添加量為8wt％時(shí)，陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最佳，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為399 MPa和1.9

4、 MPa·m1/2，較純AlON陶瓷分別提高了35％和23％，其強(qiáng)韌化機(jī)制主要包括細(xì)晶強(qiáng)化和熱膨脹系數(shù)失配。
　　通過(guò)對(duì)AlON和SiC-AlON陶瓷材料的抗氧化性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明:AlON和SiC的氧化產(chǎn)物分別為Al2O3和SiO2，由于氧化溫度較低，在700℃-1200℃溫度下沒(méi)有莫來(lái)石相生成;其氧化產(chǎn)物在不同階段分別呈現(xiàn)出針狀、片狀和層狀等不同微觀形貌;純AlON的起始氧化溫度為1000℃; SiC的引入使AlON陶瓷材

5、料的起始氧化溫度降低至700℃，但是，當(dāng)溫度達(dá)到1100℃以上時(shí)，由于氧化后形成的SiO2與Al2O3的共同作用，在試樣的表面形成了比較致密的氧化層，顯著提高了AlON陶瓷材料的高溫氧化性能。
　　本文通過(guò)熱壓燒結(jié)還制備了ZrN-AlON陶瓷復(fù)合材料。利用X射線衍射儀(XRD)分析后所得結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)在1850℃的熱壓燒結(jié)后，加入的ZrO2由于與AlON基體發(fā)生反應(yīng)完全轉(zhuǎn)變成為ZrN相。當(dāng)ZrN含量小于2.7％時(shí)，ZrN-AlON

6、陶瓷復(fù)合的相對(duì)密度、維氏硬度、楊氏模量、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都得到了顯著提高。當(dāng)ZrN含量為2.7％時(shí)，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均達(dá)到最大值，分別為555MPa和2.5 MPa·m1/2，比純AlON陶瓷材料分別提高了88％和60％。然而，繼續(xù)增加ZrN含量至4.1％時(shí)，由于ZrN相出現(xiàn)了局部團(tuán)聚現(xiàn)象，陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能少許降低。ZrN顆粒主要分布在AlON的晶界，起到細(xì)化晶粒的作用，另外還有少量ZrN分布于AlON晶內(nèi)，具有釘扎

7、位錯(cuò)的作用。ZrN顆粒能夠在裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中消耗和吸收部分應(yīng)力，使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分叉或轉(zhuǎn)彎，從而提高陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能。ZrN顆粒對(duì)陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)制主要包括細(xì)晶強(qiáng)化、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌和裂紋分叉增韌。
　　本文還對(duì)AlON及其陶瓷復(fù)合材料的抗熱震性能和抗鋼液侵蝕性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:AlON陶瓷材料的臨界熱震溫差為200℃; SiC和ZrN的引入有利于改善AlON陶瓷材料的熱震性能，SiC-AlON和ZrN-AlON陶瓷