【摘 要】
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我国2022年成功举办了第二十四届冬季奥林匹克运动会,冰雪产业进入黄金时期,迎来一个全新的时代。在各项冰雪运动中,冰刀是最重要的物质基础之一,目前大多数都是金属冰刀,它的钢材成本较高,使用过程中的成本也高,并且金属材料在长时间服役之后,会有磨损发生,进而导致冰刀的性能降低,影响运动员的竞技水平。而高性能Si3N4陶瓷材料硬度高,耐磨性好,使用寿命长,可以成为冰刀的潜在使用材料。本文针对冰刀的使用需
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我国2022年成功举办了第二十四届冬季奥林匹克运动会,冰雪产业进入黄金时期,迎来一个全新的时代。在各项冰雪运动中,冰刀是最重要的物质基础之一,目前大多数都是金属冰刀,它的钢材成本较高,使用过程中的成本也高,并且金属材料在长时间服役之后,会有磨损发生,进而导致冰刀的性能降低,影响运动员的竞技水平。而高性能Si3N4陶瓷材料硬度高,耐磨性好,使用寿命长,可以成为冰刀的潜在使用材料。本文针对冰刀的使用需求,开展了Si3N4陶瓷强度和断裂韧性的改性研究,并设计了陶瓷在冰刀上的应用。首先,研究了烧结助剂、第二相和烧结方法等因素对陶瓷性能的影响,根据实验目的与设计原则选择Lu2O3、La2O3两种稀土氧化物与Mg O组合成为三元复合烧结助剂,采用β-Si3N4晶种和石墨烯作为增强相,利用气压烧结与放电等离子烧结,分别在1750℃和1650℃制备了Si3N4陶瓷。其次,采用SEM、XRD、万能试验机和硬度计等对陶瓷的结构和性能进行表征和分析,在添加8%三元复合烧结助剂时,放电等离子烧结得到抗弯强度达1050MPa,断裂韧性达9.96 MPa·m-1,密度为3.2112g/cm~3的耐磨性能优良的Si3N4陶瓷样品,而2%β-Si3N4晶种的添加使得样品的断裂韧性达到最大11.36MPa·m-1,但强度下降到912MPa。β-Si3N4作为晶核,促进Si3N4晶粒的生长,使得晶粒有着较大的长径比,双峰微观结构得到了增强。另外,添加适量的石墨烯,材料的硬度有所提升,耐磨性提高。最后,选取冰刀的弧度、弧长等为设计参数,以常用的金属冰刀为参考,优化设计了Si3N4陶瓷冰刀,制备出符合使用要求的Si3N4陶瓷冰刀。并为了满足大众旱冰的运动需求,结合使用情况制备加工了陶瓷滑轮。陶瓷冰雪器材的开发有助于促进大众冰雪运动的开展和普及。
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