NiTi形状记忆合金增韧Al2O3陶瓷的研究

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陶瓷因具有高强度、高硬度、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性等特性,被广泛地应用在日常生活、工业生产以及高科技领域,但韧性低一直是阻碍其进一步应用的重要原因。因此,对于如何改善陶瓷的韧性和制备具有非常重要的意义。多年来,人们通过各种增韧手段来改善陶瓷的韧性,常用的增韧方式有颗粒弥散增韧、纤维和晶须增韧、氧化锆相变增韧、复合增韧与自增韧等。目前,NiTi形状记忆合金因具有丰富的相变现象,已广泛应用在航天航空、建筑、生物医学及日常生活等领域。本文选用氧化铝陶瓷为基体,NiTi合金颗粒为第二相,将其复合到氧化铝陶瓷基体中,利用NiTi合金的马氏体相变(形状记忆效应和超弹性均是由其来体现)改善氧化铝陶瓷的韧性。本文采用CMT5105型微机控制电子万能试验机研究了NiTi合金对氧化铝陶瓷抗弯强度和断裂韧性的影响;采用HD-1875型布洛维硬度计研究了复合陶瓷硬度;采用X射线衍射仪研究了复合陶瓷的物相组成;采用扫描电子显微镜对复合陶瓷材料的断口形貌进行观察分析,并对增韧机理进行探讨。本文利用机械合金化法制备非晶NiTi合金粉末,经晶化处理后,使其均匀分散到氧化铝陶瓷基体中,采用热压烧结工艺,在1300℃和1400℃的烧结温度下制备复合陶瓷。同时选用等原子比的NiTi合金加入到氧化铝陶瓷基体中,在13000℃的烧结温度下制备复合陶瓷;与相同温度下加入机械合金化制备NiTi合金的复合陶瓷的性能作对比。研究表明:利用机械合金化法可制得非晶NiTi合金粉末,晶化处理后可得到晶体结构为体心立方的NiTi合金;将晶化处理后得到的合金粉末加入到氧化铝陶瓷基体中,在1300℃和1400℃烧结温度下制备复合陶瓷,随着加入合金含量的增加,复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性均有明显的提高。将等原子比的NiTi合金加入到氧化铝陶瓷基体中,在1300℃的烧结温度下制备复合陶瓷,随着NiTi合金含量的不断增加,复合陶瓷的力学性能也不断地提高,但硬度变化不大;与1300℃的烧结温度下加入机械合金化制备NiTi合金的复合陶瓷的性能相比,加入等原子比的NiTi合金的复合陶瓷的性能较好,这主要是因为在混料过程中,延长了混料时间,使合金在试样中的分散性得到改善,提高烧结试样的致密度,从而提高复合陶瓷的强度和韧性。研究结果表明:受到外力的作用时,复合陶瓷中的NiTi合金发生应力诱导相变,相变过程中产生的体积膨胀会消耗裂纹扩展的能量,抑制裂纹扩展并使裂纹发生偏转,提高复合陶瓷断裂韧性;同时NiTi合金颗粒的桥联作用可抑制裂纹的继续扩展,改善陶瓷韧性。
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