毕业论文课题相关文献综述

1. 前言

氧化铝陶瓷因其耐高温、耐磨损、抗氧化、硬度高等优良特性，应用范围非常广泛。而且生产工艺比较成熟，价格比较低廉，性能良好，应用的范围还在不断扩大。但其材料的脆性和强度较低限制其应用。随着技术的不断发展，有些特殊如石油 、化工等行业对氧化铝陶瓷材料提出了更高的要求，尤其对材料的强度、韧性和耐磨性方面，氧化铝陶瓷材料的性能已不能满足某些特殊行业的要求，需要开发材料性能更优越的材料。ZTA材料因其性能介于氧化锆材料和氧化铝材料之间近年来受到广泛关注，成为增韧陶瓷材料的一大亮点，应用领域也不断扩大^[1]。在Al₂O₃中引入ZrO₂颗粒利用其相变增韧以及对Al₂O₃晶粒生长的抑制作用，就可以改善氧化铝陶瓷的力学性能。通常是在Al₂O₃基体中引入微米级或亚微米级的ZrO₂颗粒，使得制成的复相陶瓷中的ZrO₂晶粒尺寸易于超过临界尺寸，大大降低增强增韧的效果。为了获得细晶结构,充分发挥ZrO₂在应力诱导下的相变增韧作用，减小初始粉体颗粒的粒径是一重要途径。新原皓一等率先将纳米级陶瓷颗粒作为弥散相引入微米级陶瓷基体中制得所谓纳米复相陶瓷，取得了很好的增强增韧效果。这使得过去采用微米级第二相颗粒对陶瓷进行弥散强化，增强增韧效果远不及纤维、晶须补强的情况发生了根本的变化，使颗粒补强增韧这种简便易行且对人体无害的改善陶瓷性能的方法展现出广阔的前景^[2]。

2. ZTA的研究现状

自从1975年Garvie等人在《自然》杂志上发表陶瓷钢一文以来,围绕着ZrO2的相变特性展开的相变陶瓷增韧研究受到研究人员的关注。将氧化锆弥散在其它陶瓷材料基体中,人们陆续制备了一些高性能的陶瓷材料,其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷ZTA被证明具有较好的增韧效果。优良的ZTA纳米复相陶瓷以及研究它的强韧化机理仍是我们面临的迫切任务。从1975年澳大利亚学者首次提出利用ZrO₂相变增韧陶瓷的概念以来,人们利用ZrO₂相变增韧成功地研制出来了部分稳定氧化锆(PSZ)、多晶四方氧化锆(TZP) 、氧化锆增韧氧化铝(ZTA) 、氧化锆增韧莫来石(ZTM)和增韧Si₃N₄,SiC等. ZrO₂ 的高温热稳定性和隔热性最好,其热导率在常见的陶瓷材料中最低,线膨胀系数与金属材料接近。在各种金属氧化物陶瓷中,ZrO₂ 的作用仅次于Al₂O₃. ZrO₂的耐磨性优于Al₂O₃。目前国内外发展起来的ZrO₂增韧机理主要三种：相变增韧，微裂纹增韧，弥散增韧。有近年来,随着纳米复相陶瓷技术的发展,ZTA纳米复相陶瓷的研究成为陶瓷材料领域研究的一大热点。虽然人们对ZTA纳米陶瓷有了一定的认识,但是仍有许多悬而未决的问题。寻求一种简单的制粉方法和成本低的烧结工艺来制备性能优良的ZTA纳米复相陶瓷以及研究它的强韧化机理仍是我们面临的迫切任务。

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3. ZTA 陶瓷的增韧机理

陶瓷材料的断裂韧性KIC 同其弹性模量E、泊松比ν及断裂表面能有关。由于弹性模量和泊松比是非显微结构敏感参数, 所以提高材料的断裂韧性主要依靠增加断裂表面能。从断裂力学的角度, 增加自由表面能形成新生表面, 减小气孔率, 减小晶粒尺寸, 适当的应力诱导相变, 形成微裂纹等都可能提高材料的断裂韧性。ZrO₂增韧机制有许多种:应力诱导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面诱发强韧化和微裂纹分叉增韧等。在实际材料中,究竟何种机制起主导作用,在很大程度上取决四方相氧化锆( t- ZrO₂)单斜相氧化锆( m- ZrO₂) 马氏体相变程度的高低及相变在材料中发生的部位^[3]。

3.1应力诱导相变增韧

当部分稳定的t- ZrO₂ 弥散在Al₂O₃ 陶瓷基体里, 即存在t- ZrO₂与m- ZrO₂ 的可逆相变特性, 晶体结构的转变伴随有3~ 5% 的体积膨胀。同时, 由于两者具有不同的热膨胀系数, 烧结完成后, 在冷却过程中, ZrO₂ 颗粒周围则有不同的受力情况。当基体对ZrO2 颗粒有足够的压应力, 而ZrO₂的颗粒度又足够小, 则其相变温度可降至室温以下, 这样在室温时ZrO₂仍可保持四方相^[4]。当材料受到外应力时,基体对ZrO₂的压抑作用得到松弛, ZrO₂颗粒即发生t- m相变,形成一相变过程区。在过程区内, 一方面, 由于裂纹扩展而产生新的断裂表面, 需要吸收一部分能量; 另一方面, 相变引起的体积膨胀效应也要消耗能量; 同时, 相变的晶粒由于体积膨胀而对裂纹产生压应力, 阻碍裂纹扩展。由此可见, 应力诱导的这种组织转变消耗了外加应力, 降低了裂纹尖端的应力强度因子, 使得本可以继续扩展的裂纹因能量消耗造成驱动力减弱而终止扩展, 从而提高了材料断裂韧性。这就是ZrO₂的应力诱导相变增韧。

3.2微裂纹增韧