CaO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃结合氧化铝复合材料的研究

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Al2O3基陶瓷材料具有热稳定性好、弹性模量大、重量轻、资源丰富、价格低廉等诸多优良特性,在高温、高压、抗冲击、耐磨损、耐腐蚀、抗辐射等环境下有着广泛的应用。但是,Al2O3陶瓷材料本身还有很多缺点,除脆性大外,它在烧结过程中所需烧结温度高,烧结致密化程度低;随着温度的升高,强度降低很快,蠕变性能变差,疲劳强度和抗热震性都下降,这些缺点严重限制了Al2O3作为高性能材料的应用。Al2O3陶瓷的低温烧结一直是国内外科研人员研究的热点之一,通过加入一定量的添加剂来降低氧化铝陶瓷的烧结温度是较为有效的方法。而在氧化铝基陶瓷复合材料的制备、加工以及使用过程中,裂纹的出现和材料整体强度的下降十分常见,裂纹引起的强度的衰减和材料可靠性的降低等问题在很大程度上限制了Al2O3结构陶瓷基复合材料的实际应用。本论文以CaO-Al2O3-SiO2微晶玻璃添加剂作为Al2O3陶瓷的烧结助剂,采用模压成型工艺,在1350℃,空气气氛下烧结,保温2h制备低温烧结CaO-Al2O3-SiO2微晶玻璃结合Al2O3复合陶瓷材料。实验首先通过水淬法制备出CaO-Al2O3-SiO2基础玻璃粉,根据DTA、XRD分析,通过热处理制备出了以硅灰石为主晶相的微晶玻璃;测定了CaO-Al2O3-SiO2微晶玻璃的热膨胀系数与Al2O3相互匹配。然后通过正交实验研究基础玻璃粉成分,基础玻璃粉含量,烧成温度以及烧成保温时间等几个因素对Al2O3基复合材料开口气孔率的影响,结果发现,基础玻璃粉含量对其复合材料的开口气孔率影响最大,其次分别是烧成温度、烧成保温时间、基础玻璃粉成分(CaO含量)等工艺因素。优化实验表明,随着基础玻璃粉含量的增加,复合材料的表面气孔率下降,当基础玻璃粉含量为60wt%为最佳,由于玻璃粉含量过高容易引起复合材料力学性能的降低,本实验选取玻璃粉含量为50wt%的Al2O3基复合材料。通过SEM、XRD和EDS分析表明复合材料由板柱状和长条状的硅灰石晶体、柱状的氧化铝和玻璃相组成。各工艺因素对材料开口气孔率和物相的影响规律及机理,本文也通过实验做了细致的分析,确定了最佳的制备工艺。最后,采用阿基米德法测定了最优化工艺下低温烧结制备出的样品的开口气孔率为13.31%,并对该工艺下的样品进行三点抗弯强度、断裂韧性、耐磨性的测试。测试结果如下:其常温下三点抗弯强度为215.6MPa;断裂韧性为3.946Mpa·m1/2;体积磨损率为2.573×10-6mm3/N·m,具有较好的断裂韧性和耐磨性。
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