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众所周知，氧化铝陶瓷因具有高硬度、高温抗氧化性、抗腐蚀性、高强度等优良特性和储量大、价格较低等特点而常被用于耐磨材料与装置，具有非常广阔的工业应用前景。随着科技的不断发展，对材料性能的要求更加苛刻，氧化铝陶瓷材料的脆性与高磨损性等限制了材料的工业应用及其使用稳定性。因此如何制备高韧性、高强度与低磨损等具有优异的综合性能的氧化铝陶瓷材料是目前研究的热点与难点。
本论文通过热压烧结法制备了石墨烯、碳化硅晶须、硼酸铝晶须增强的系列氧化铝陶瓷基复合材料，并系统研究与探索了氧化铝陶瓷基复合材料结构性能的调控机制。此外，用硼酸铝晶须增强复合陶瓷材料成功研制出玻璃纤维生产中所用的涂油辊，展示了低磨损高性能氧化铝陶瓷基复合材料在耐磨装置中的应用前景。主要研究内容和结论如下:
①石墨烯增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。首次采用改进的分步加料的方式进行了石墨烯氧化铝混合粉料的制备，结果表明分步加料方式比一步法加料方式更有利于石墨烯粉料的分散，这有效地解决了因石墨烯粉料团聚导致烧成的陶瓷材料微观结构中产生较大孔洞的问题。其次，利用热压烧结法制备了石墨烯增强氧化铝陶瓷基复合材料，并系统研究了烧结温度、烧结压力和石墨烯含量对材料力学性能的影响。结果表明，通过烧结温度与烧结压力的变化而实现的材料结构调控对制备的氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度与磨损率等力学性能影响显著，存在使材料获得最佳性能的石墨烯含量、烧结温度与压力；在烧结温度为1550℃，烧结压力为40MPa时，随着石墨烯含量的增加，氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度、断裂韧性与维氏硬度呈现先上升后下降的趋势；当石墨烯含量为1.0wt%时复合材料的弯曲强度、断裂韧性与维氏硬度达到最优，分别为854.50MPa、7.50MPa?m1/2和21.30GPa；当石墨烯含量为0.5wt%时，陶瓷基复合材料的磨损率最低，为2.91×10-6mm3/(N?m)。通过建立的可考虑材料临界缺陷尺寸与气孔率影响的材料断裂强度理论表征模型与实验测试结果，系统分析了复合材料断裂强度随烧结温度与石墨烯含量的变化趋势及其内在的控制机理，发现复合材料的断裂强度主要取决于材料微观结构中最大的晶粒尺寸，这在以往关于氧化铝陶瓷基复合材料断裂行为的控制机制的研究中未见报道。通过材料硬度与晶粒尺寸的Hall-Petch关系与试验测试结果分析了材料硬度的影响因素。复合材料断裂韧性的增加主要因为裂纹扩展时发生的偏转、弯曲和分叉、断裂模式的转变、石墨烯的拔出及桥接与石墨烯引入的层状结构及强弱界面等。复合材料磨损性能的提高主要是因为石墨烯在材料的接触面上发挥的润滑作用。此外，研究发现在原料球磨过程中由氧化锆磨球在材料体系中带入了4.76wt%的ZrO2，其不会对本文制备的系列氧化铝陶瓷基复合材料性能产生不利影响。
②碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。通过热压烧结法制备了碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料，并系统研究了碳化硅晶须含量对材料弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度与磨损率的影响。结果表明，随着碳化硅晶须含量的增加，材料的弯曲强度和断裂韧性均呈现先上升后下降的趋势，当添加量为20%时达到最高，分别为875.00MPa、5.40MPa?m1/2,而此时材料的摩擦系数和磨损率均达到最小，材料的磨损率为3.82×10-6mm3/(N?m)。碳化硅晶须对材料强韧性能的影响主要基于晶粒的细化、裂纹偏折、晶须拔出等机制。材料的耐磨损性主要依赖于材料硬度和韧性的协同效应。
③硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。首次利用热压烧结法制备了硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料，并系统研究了硼酸铝晶须含量、烧结温度以及烧结方式对氧化铝陶瓷基复合材料力学性能的影响。结果表明，通过改变硼酸铝晶须含量、烧结温度与烧结方式调控材料微观结构能够得到具有最佳性能的氧化铝陶瓷基复合材料。随着硼酸铝晶须体积分数或热压烧结温度的增加，氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度和硬度都呈现先增加后减小的趋势，材料的断裂韧性则逐渐增加。复合材料磨损率随着硼酸铝晶须体积分数的增加呈现先降低后升高的趋势。当硼酸铝晶须体积分数为20%时，氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度最高，达到767.00MPa；当硼酸铝晶须体积分数为30%时，材料断裂韧性达到4.43MPa?m1/2；当硼酸铝晶须体积分数为10%时，材料的磨损率最低，达到1.50×10-6mm3/(N?m)。复合材料的断裂强度主要取决于材料微结构中最大的晶粒或簇的尺寸。复合材料断裂韧性的增加则主要由于晶须增韧所导致，烧结过程中液化后的硼酸铝晶须被晶粒挤出并在晶粒表面重结晶形成类似针状的晶须，同时部分晶须之间出现了桥接现象。通过由桥接晶须而导致的复合材料断裂韧性的增加量模型可知随着晶须体积分数的增加，复合材料断裂韧性增加。同时，由于增韧晶须而发生的裂纹偏转和桥接等也会提升材料断裂韧性。复合材料磨损性能主要受到材料强度、硬度与韧性的综合影响。此外，本工作发现液化的硼酸铝晶须被来自隔离碳纸、石墨模具的固相C和石墨发热体以及碳毡中的部分气化C还原，进而与内部晶界处的ZrO2反应生成了ZrB2颗粒，进一步达到了增韧强化的作用。
④硼酸铝晶须增强的氧化铝陶瓷基耐磨复合材料的应用研究。为了展示低磨损硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料的应用前景，利用硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料成功制备了玻璃纤维生产用涂油辊，并与商用石墨涂油辊进行了性能对比。结果表明，采用硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料制备的涂油辊不仅硬度较大，而且耐磨损性能优异，各项指标均优于石墨涂油辊，解决了电子绝缘玻璃纤维带电的重大难题，已成功地推广应用到某世界著名的玻璃纤维企业，具有广阔的耐磨材料与装置市场应用前景。
本论文通过热压烧结法制备了石墨烯、碳化硅晶须、硼酸铝晶须增强的系列氧化铝陶瓷基复合材料，并系统研究与探索了氧化铝陶瓷基复合材料结构性能的调控机制。此外，用硼酸铝晶须增强复合陶瓷材料成功研制出玻璃纤维生产中所用的涂油辊，展示了低磨损高性能氧化铝陶瓷基复合材料在耐磨装置中的应用前景。主要研究内容和结论如下:
①石墨烯增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。首次采用改进的分步加料的方式进行了石墨烯氧化铝混合粉料的制备，结果表明分步加料方式比一步法加料方式更有利于石墨烯粉料的分散，这有效地解决了因石墨烯粉料团聚导致烧成的陶瓷材料微观结构中产生较大孔洞的问题。其次，利用热压烧结法制备了石墨烯增强氧化铝陶瓷基复合材料，并系统研究了烧结温度、烧结压力和石墨烯含量对材料力学性能的影响。结果表明，通过烧结温度与烧结压力的变化而实现的材料结构调控对制备的氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度与磨损率等力学性能影响显著，存在使材料获得最佳性能的石墨烯含量、烧结温度与压力；在烧结温度为1550℃，烧结压力为40MPa时，随着石墨烯含量的增加，氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度、断裂韧性与维氏硬度呈现先上升后下降的趋势；当石墨烯含量为1.0wt%时复合材料的弯曲强度、断裂韧性与维氏硬度达到最优，分别为854.50MPa、7.50MPa?m1/2和21.30GPa；当石墨烯含量为0.5wt%时，陶瓷基复合材料的磨损率最低，为2.91×10-6mm3/(N?m)。通过建立的可考虑材料临界缺陷尺寸与气孔率影响的材料断裂强度理论表征模型与实验测试结果，系统分析了复合材料断裂强度随烧结温度与石墨烯含量的变化趋势及其内在的控制机理，发现复合材料的断裂强度主要取决于材料微观结构中最大的晶粒尺寸，这在以往关于氧化铝陶瓷基复合材料断裂行为的控制机制的研究中未见报道。通过材料硬度与晶粒尺寸的Hall-Petch关系与试验测试结果分析了材料硬度的影响因素。复合材料断裂韧性的增加主要因为裂纹扩展时发生的偏转、弯曲和分叉、断裂模式的转变、石墨烯的拔出及桥接与石墨烯引入的层状结构及强弱界面等。复合材料磨损性能的提高主要是因为石墨烯在材料的接触面上发挥的润滑作用。此外，研究发现在原料球磨过程中由氧化锆磨球在材料体系中带入了4.76wt%的ZrO2，其不会对本文制备的系列氧化铝陶瓷基复合材料性能产生不利影响。
②碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。通过热压烧结法制备了碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料，并系统研究了碳化硅晶须含量对材料弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度与磨损率的影响。结果表明，随着碳化硅晶须含量的增加，材料的弯曲强度和断裂韧性均呈现先上升后下降的趋势，当添加量为20%时达到最高，分别为875.00MPa、5.40MPa?m1/2,而此时材料的摩擦系数和磨损率均达到最小，材料的磨损率为3.82×10-6mm3/(N?m)。碳化硅晶须对材料强韧性能的影响主要基于晶粒的细化、裂纹偏折、晶须拔出等机制。材料的耐磨损性主要依赖于材料硬度和韧性的协同效应。
③硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。首次利用热压烧结法制备了硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料，并系统研究了硼酸铝晶须含量、烧结温度以及烧结方式对氧化铝陶瓷基复合材料力学性能的影响。结果表明，通过改变硼酸铝晶须含量、烧结温度与烧结方式调控材料微观结构能够得到具有最佳性能的氧化铝陶瓷基复合材料。随着硼酸铝晶须体积分数或热压烧结温度的增加，氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度和硬度都呈现先增加后减小的趋势，材料的断裂韧性则逐渐增加。复合材料磨损率随着硼酸铝晶须体积分数的增加呈现先降低后升高的趋势。当硼酸铝晶须体积分数为20%时，氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度最高，达到767.00MPa；当硼酸铝晶须体积分数为30%时，材料断裂韧性达到4.43MPa?m1/2；当硼酸铝晶须体积分数为10%时，材料的磨损率最低，达到1.50×10-6mm3/(N?m)。复合材料的断裂强度主要取决于材料微结构中最大的晶粒或簇的尺寸。复合材料断裂韧性的增加则主要由于晶须增韧所导致，烧结过程中液化后的硼酸铝晶须被晶粒挤出并在晶粒表面重结晶形成类似针状的晶须，同时部分晶须之间出现了桥接现象。通过由桥接晶须而导致的复合材料断裂韧性的增加量模型可知随着晶须体积分数的增加，复合材料断裂韧性增加。同时，由于增韧晶须而发生的裂纹偏转和桥接等也会提升材料断裂韧性。复合材料磨损性能主要受到材料强度、硬度与韧性的综合影响。此外，本工作发现液化的硼酸铝晶须被来自隔离碳纸、石墨模具的固相C和石墨发热体以及碳毡中的部分气化C还原，进而与内部晶界处的ZrO2反应生成了ZrB2颗粒，进一步达到了增韧强化的作用。
④硼酸铝晶须增强的氧化铝陶瓷基耐磨复合材料的应用研究。为了展示低磨损硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料的应用前景，利用硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料成功制备了玻璃纤维生产用涂油辊，并与商用石墨涂油辊进行了性能对比。结果表明，采用硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料制备的涂油辊不仅硬度较大，而且耐磨损性能优异，各项指标均优于石墨涂油辊，解决了电子绝缘玻璃纤维带电的重大难题，已成功地推广应用到某世界著名的玻璃纤维企业，具有广阔的耐磨材料与装置市场应用前景。