振荡压力烧结制备ZrO2-Al2O3-SiC复合材料及其力学性能研究

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氧化锆基陶瓷材料因具有优异的力学性能而在耐磨零件、切削加工、半导体与电子等领域得到了广泛的应用。随着现代关键技术应用领域的发展以及极端应用环境的需求,氧化锆基陶瓷材料的力学性能尤其是断裂韧性仍需进一步提高。通常,采用添加单一增强相的途径来提高氧化锆陶瓷材料的断裂韧性,但同时常会造成材料其他力学性能指标的下降;此外,往往采用常压烧结或静态恒定压力烧结的方式制备氧化锆基陶瓷材料,但其致密度和可靠性面临挑战。针对上述问题,本论文以氧化铝增韧氧化锆陶瓷材料为研究对象,将碳化硅晶须(SiCw)和碳化硅颗粒(SiCp)作为增强相,采用动态振荡压力烧结新技术(OPS)制备兼具高强度、高韧性和高硬度的ZrO2-Al2O3-SiC复合材料。研究工作主要包括材料组分(SiCw、SiCp单一或复合引入)和振荡压力烧结温度对材料烧结行为、显微结构和力学性能的影响,同时与热压烧结作对比,揭示材料的协同强韧化机理。通过上述研究工作,可以得出以下主要结论:(1)SiCw的引入能够显著地提高ZrO2-Al2O3-SiCw复合材料的断裂韧性。研究发现最佳的烧结温度为1550℃,最佳的SiCw引入量为15 vol.%,在此参数下OPS制备复合材料的力学性能更优,主要是由于振荡压力能够有效地减少晶须团聚体的形成及闭口气孔的数量和尺寸,促进材料的致密化,进而提高材料的力学性能。OPS制备材料的断裂韧性最大为7.79 MPa?m1/2,其原因主要为材料中存在晶须拔出、晶须桥接、裂纹分支和裂纹偏转等机制,增加了能量耗散,释放了更多的断裂能;同时,SiCw的引入会导致复合材料的强度和硬度有所下降。(2)SiCp的添加提高了ZrO2-Al2O3-SiCp复合材料的硬度。发现最佳的烧结温度为1600℃,最佳的SiCp粒度和添加量分别为200 nm和10 vol.%,在此参数下制备材料的致密度及力学性能最优,相对密度、弯曲强度、维氏硬度和断裂韧性分别为98.63%、1162 MPa、15.43 GPa和6.36 MPa?m1/2;此外,在老化时间40 h时,含10 vol.%SiCp复合材料中m-ZrO2含量仅为6 vol.%,表明材料具有良好的抑制低温老化的能力。(3)SiCw和SiCp复合引入能够使ZrO2-Al2O3-SiC复合材料保持高强高韧。结果表明,当SiCw和SiCp的含量分别为5和10 vol.%时,复合材料的综合性能最优,维氏硬度达到15.26 GPa,弯曲强度为917 MPa,断裂韧性为6.83 MPa?m1/2,主要是由于颗粒弥散增韧、晶须增韧以及应力诱导相变增韧协同增韧复合材料而增加了能量耗散,并且ZrO2/SiCp、Al2O3/SiCp、ZrO2/SiCw及Al2O3/SiCw等相界处形成共格关系而提高了材料的塑性变形能力;此外,发现随着老化时间的延长,含5 vol.%SiCw和10 vol.%SiCp试样中的m-ZrO2含量低且基本保持不变,表明该试样具有良好的抗低温老化的能力。
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