原位生长纳微米纤维自增韧复相陶瓷显微结构与不同尺度多级增韧

通过将ZrO2微米粉末引入铝热剂中,借助铝热燃烧、陶瓷/金属液相分离及共晶反应中的晶体原位生长,制备出原位生长纳微米纤维自增韧Al2O3/ZrO2陶瓷复合材料.研究表明,陶瓷基体主要由以单晶t-ZrO2纳微米纤维为第二相、单晶α-Al2O3为基体且长径比为8.0～16的棒晶构成,并且在棒晶边界上还分布着α-Al2O3片晶、ZrO2微米粒子及Cr金属颗粒.力学性能测试得出,陶瓷的弯曲强度、弹性模量及断裂韧性分别达到1168MPa、410GPa与12.6 MPa·m0.5;裂纹扩展路径观察发现,陶瓷增韧是通过裂纹偏转增韧、纳微米纤维增韧、α-Al2O3片晶的裂纹桥接增韧、延性相增韧及应力诱发相变增韧不同尺度四级增韧机制的协同作用予以实现.     

Al2O3/ZrO2快速凝固复合陶瓷显微结构与力学行为

通过在铝热剂中引入适量的ZrO2粉末,基于铝热氧化-还原反应、重力下陶瓷/金属液相分离,以大过冷条件下熔体共晶生长方式,制备出以ZrO2正方相纳微米纤维镶嵌于其上且长径比为8.0～12.0的蓝宝石棒晶及少量α- Al2O3片晶为基体的Al2O3/ZrO2自生复合陶瓷.通过材料力学性能测试与裂纹扩展路径观察,研究复合陶瓷显微结构与其力学行为之间的关系.结果表明,复合陶瓷的弯曲强度与断裂韧度分别达到1 256 MPa与13.2 MPa·m1/2;分布于蓝宝石棒晶上大量的面间距为纳微米尺度的Al2O3/ZrO2两相低能界面及残余压应力,使蓝宝石棒晶与陶瓷基体得以强化,迫使裂纹沿蓝宝石棒晶边界偏转;同时,因处于裂纹尖端尾部的蓝宝石棒晶桥接与拔出、α- Al2O3片晶桥接与摩擦互锁等效应,又使裂纹扩展呈现出强烈的稳定化倾向.     

Al2O3/ZrO2(3Y)快速凝固共晶复合陶瓷显微结构、裂纹桥接与增韧

通过在铝热剂中添加适量的ZrO2(3Y)粉末,借助燃烧合成及远离平衡态下的快速凝固方式,制备出Al2O3/ZrO2(3Y)共晶复合陶瓷.XRD,SEM与EPMA分析得出,陶瓷基体是由t-ZrO2纳微米纤维镶嵌于其上、长径比为10.0～14.0且呈随机生长的氧化铝棒晶及少量的α-Al2O3片晶构成.结合裂纹扩展路径与棒晶内部结构,可认为因共晶凝固所形成的、存在于蓝宝石棒晶上的高密度异相界面及因共晶两相热膨胀失配所诱发的高残余压应力,蓝宝石棒晶得以强化,因而陶瓷的主要增韧机制来自因蓝宝石棒晶裂纹桥接所产生的内部弹性应变能释放及因高能、大角度晶界解离所诱发的能量消耗,并伴随着因片晶摩擦互锁效应所造成的能量耗散过程.     

Al2O3／ZrO2（3Y）快速凝固共晶复合陶瓷显微结构、裂纹桥接与增韧

通过在铝热剂中添加适量的ZrO2（3Y）粉末，借助燃烧合成及远离平衡态下的快速凝固方式，制备出Al2O3／ZrO2（3Y）共晶复合陶瓷。XRD，SEM与EPMA分析得出，陶瓷基体是由t-ZrO2纳微米纤维镶嵌于其上、长径比为10．0～14．0且呈随机生长的氧化铝棒晶及少量的α-Al2O3片晶构成。结合裂纹扩展路径与棒晶内部结构，可认为因共晶凝固所形成的、存在于蓝宝石棒晶上的高密度异相界面及因共晶两相热膨胀失配所诱发的高残余压应力，蓝宝石棒晶得以强化，因而陶瓷的主要增韧机制来自因蓝宝石棒晶裂纹桥接所产生的内部弹性应变能释放及因高能、大角度晶界解离所诱发的能量消耗，并伴随着因片晶摩擦互锁效应所造成的能量耗散过程。     

TiC-TiB2细晶陶瓷凝固组织、断裂行为与原位增韧

通过采用超重力下燃烧合成制备TiC-TiB2细晶陶瓷,研究了陶瓷凝固组织与晶体生长特征,探讨了陶瓷显微组织与断裂行为、增韧机制的关系。XRD、FESEM与EDS分析表明,TiC-TiB2复合陶瓷基体主要由大量细小的TiB2片晶及分布其周围的形状不规则的TiC相构成,TiB2片晶的形成是因其小平面晶体生长特性所致,而不规则TiC的晶体形貌则是因非小平面晶体生长特性及高的生长速率所造成的。陶瓷相对密度、硬度(HV)、弯曲强度及断裂韧度分别为98.6%、21.8GPa、650MPa、12.5MPa·m1/2,并且陶瓷增韧是小尺寸TiB2片晶的裂纹偏转、裂纹桥接、片晶拔出及摩擦互锁原位增韧机制协同作用的结果。     

超重力下燃烧合成Al_2O_3/ZrO_2(4Y)成分、结构与性能

通过在铝热剂中引入ZrO2(4Y)粉末,以超重力下燃烧合成技术,制备出不同成分与结构的Al2O3/ZrO2(4Y)大体积新型复合陶瓷板材,并研究了复合陶瓷成分、显微结构与力学性能之间的关系。XRD、SEM与EDS表明,Al2O3/33ZrO2(4Y)是以取向各异且纳微米t-ZrO2纤维呈三角对称镶嵌其上的棒状共晶团为基,且周围分布着t-ZrO2微米球晶;同时,Al2O3/40ZrO2(4Y)则以t-ZrO2微米球晶为基,周围分布着不规则形状的α-Al2O3晶及少量的共晶团组织。相比于国外定向凝固Al2O3/ZrO2(Y2O3),试验Al2O3/33ZrO2(4Y)强硬性的提高可归因于材料的高致密性、小尺寸缺陷及残余压应力增韧、相变增韧机制所导致的高断裂韧度;同时,Al2O3/40ZrO2(4Y)虽在硬度上有所下降,但在弯曲强度与断裂韧度却分别提高了19.0%与311.1%,故材料的强化可认为是因t-ZrO2微米球晶基体所具有的小尺寸缺陷及相变增韧与微裂纹增韧机制所诱发的高断裂韧度所致。     

超重力下合成Al2O3/YSZ复合陶瓷的组织与性能

通过在铝热剂中引入ZrO2(4Y)粉末,进行超重力下燃烧合成,制备出Al2O3/YSZ系列成分自生复合陶瓷板材,并对陶瓷结构转变与力学性能进行了研究.共晶成分自生复合陶瓷基体主要是以亚微米ZrO2纤维镶嵌于Al2O3上的共晶团构成,亚共晶成分自生复合陶瓷因发生离异共晶生长,其基体为ZrO2相分布于其边界上的Al2O3晶构成,过共晶成分自生复合陶瓷基体则为ZrO2正方相细小球晶构成.共晶成分的自生复合陶瓷因共晶团基体上高残余压应力与小尺寸共晶团边界,其硬度达至最高值16.7 GPa;而过共晶成分的自生复合陶瓷因ZrO2正方相球晶相变增韧及相变诱发微裂纹增韧,其断裂韧度达至最大值14.6 MPa·m(1)/(2).     

机械振动对燃烧合成Al2O3/ZrO2(3Y)自增韧复合陶瓷的影响

基于燃烧合成制备Al2O3/ZrO2(3Y)自增韧复合陶瓷,研究了机械振动工艺对陶瓷显微结构与力学性能的影响.经研究发现,施以机械振动并相应提高振频,可通过引入惯性力,提高陶瓷熔体实际温度,促进陶瓷致密;并且,施以机械振动并相应提高振频,不仅因增大陶瓷熔体过冷度与凝固速率、细化棒晶组织并降低棒晶内纳微米纤维尺寸,使陶瓷得以强化,而且又可通过细化棒晶组织并增大其长径比,增强棒晶裂纹桥接与拔出效应,使材料韧性又得以提升.     

机械振动对燃烧合成Al2O3／ZrO2（3Y）自增韧复合陶瓷的影响

基于燃烧合成制备Al2O3／ZrO2（3Y）自增韧复合陶瓷，研究了机械振动工艺对陶瓷显微结构与力学性能的影响。经研究发现，施以机械振动并相应提高振频，可通过引入惯性力，提高陶瓷熔体实际温度，促进陶瓷致密；并且，施以机械振动并相应提高振频，不仅因增大陶瓷熔体过冷度与凝固速率、细化棒晶组织并降低棒晶内纳微米纤维尺寸，使陶瓷得以强化，而且又可通过细化棒晶组织并增大其长径比，增强棒晶裂纹桥接与拔出效应，使材料韧性又得以提升。     

Al2O3/ZrO2纳米/微米结构自生复相陶瓷组织与性能

通过在铝热剂中添加质量分数为25%的ZrO2(4Y)粉末,借助SHS原位合成技术,快速、直接地制备出t-ZrO2纳米/微米纤维为第2相、Al2O3为基体的晶内型结构复相陶瓷,研究其微观结构、合成机理与力学性能.研究得出,该复相陶瓷是高温陶瓷熔体在SHS所造成的大过冷条件下发生共生共晶反应生成的,SEM与XRD分析表明t-ZrO2相所具有的应力诱发相变增韧机制非常微弱,裂纹扩展主要受纳米/微米晶内型结构控制,从而呈现出强烈的裂纹偏转韧化机制.