【摘 要】
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Al2O3基复合材料以其硬度高、耐腐蚀、绝缘性好、高温稳定性好、密度低等特点被广泛应用于陶瓷刀具、电路基板、装甲防护等领域。然而其灾难性的脆性断裂是巨大隐患。为提高Al2O3基复合材料的韧性和可靠性,本文分别制备了颗粒弥散分布、层状、三维连通Al2O3基复合材料,研究了制备工艺对复合材料组织和性能的影响,分析了不同结构复合材料的强韧化机理,为高性能陶瓷结构的精密设计提供依据。本文利用XRD、SEM
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Al2O3基复合材料以其硬度高、耐腐蚀、绝缘性好、高温稳定性好、密度低等特点被广泛应用于陶瓷刀具、电路基板、装甲防护等领域。然而其灾难性的脆性断裂是巨大隐患。为提高Al2O3基复合材料的韧性和可靠性,本文分别制备了颗粒弥散分布、层状、三维连通Al2O3基复合材料,研究了制备工艺对复合材料组织和性能的影响,分析了不同结构复合材料的强韧化机理,为高性能陶瓷结构的精密设计提供依据。本文利用XRD、SEM、TEM等设备分析和观察复合材料的物相和微观结构,采用阿基米德排水法测量复合材料的密度,利用维氏硬度计测量复合材料的硬度,利用万能试验机测量复合材料的压缩强度,并采用三点弯曲法测量复合材料的最大弯曲力,分别结合线弹性模型和边界效应模型计算材料的弯曲强度与断裂韧性。研究发现:采用热压法制备的硬质cBN颗粒弥散分布的Al2O3-Ti（C0.7N0.3）-cBN复合材料解决了 cBN难烧结且易相变的问题,获得了相对密度高于98%,硬质cBN颗粒未发生向hBN的转变,且cBN和Ti（C0.7N0.3）相分散均匀,相界面结合良好的Al2O3-Ti（C0.7N0.3）-cBN复合材料。由于cBN颗粒的高硬度以及复合材料较高的断裂韧性,Al2O3-Ti（C0.7N0.3）-cBN刀片在车削高硬度的stellite 3合金时耐磨损性好且不易崩刀,切削长度可达5100 m,比Al2O3-Ti（C0.7N0.3）和京瓷A66N刀片的切削长度分别高了 73%和45%,表明Al2O3-Ti（C0.7N0.3）-cBN复合陶瓷刀片具有很好的应用前景。采用凝胶注模法一次成型制备均匀多层的层状Al2O3-Ni复合材料,解决了传统依次叠层方法工艺繁琐的问题。通过控制界面润湿和界面反应获得了相互交错的锯齿状的界面,解决了 Al2O3和Ni界面结合强度不高的问题。层状Al2O3-Ni复合材料中裂纹在界面处偏转增韧和金属塑性变形增韧的效果显著,并且随着Ni体积分数的增加,强化阶段显著,复合材料的性能提升。采用经典的线弹性模型计算三点弯曲强度和断裂韧性时,因假设材料是线弹性的,所以在计算层状Al2O3-Ni复合材料时有一定的误差。基于裂纹尖端影响区域的边界效应模型可以更为准确地计算层状材料的弯曲强度和断裂韧性,结果表明显微结构特征参数G为Ni层厚度。采用凝胶注模和牺牲模板法制备的孔隙规则排列且孔壁致密的高强度多孔Al2O3陶瓷,为制备三维连通复合材料打下了基础。其压缩强度可达27.8 MPa,比文献报道提高了至少74%。经典的多孔陶瓷压缩强度的计算公式仅考虑了气孔率的影响,而本方法制备的多孔陶瓷的孔壁厚度是不均匀的,在孔壁窗口处会出现应力集中的现象;并且由于尺寸效应,孔尺寸会显著影响多孔Al2O3陶瓷的压缩强度。因而在公式中引入了孔尺寸和窗口尺寸的影响因子,可以更为准确地计算含窗口的不同孔径的多孔陶瓷的压缩强度。另外由于多孔陶瓷中存在大量气孔,采用经典的适用于均质材料的线弹性模型计算其弯曲强度和断裂韧性有一定误差。在采用边界效应模型时,多孔陶瓷的显微结构特征参数G为孔尺寸,没有机械切口时等效切口深为0.57G。利用上述高强度多孔Al2O3陶瓷预制体采用压力浸渗法可制备出结构完整的三维连通Al2O3-Ti32.8Zr30.2Cu9Ni5.3Be22.7非晶合金复合材料。与块状非晶合金相比,复合材料的密度降低,硬度升高,断裂功增加。三维连通结构使得非晶合金抑制了Al2O3结构坍塌,Al2O3则抑制了非晶合金的快速剪切断裂,复合材料在压缩载荷下呈现剪切断裂和轴向劈裂两种断裂模式。Ti32.8Zr30.2Cu9Ni5.3Be22.7合金熔体在Al2O3基板上铺展时,界面处Ti元素富集会促进润湿,Zr元素富集使得接触角基本保持不变,而生成的BeO则会抑制润湿。Al2O3和Ti32.8Zr30.2Cu9Ni5.3Be22.7非晶合金的最小润湿角为30°。通过上述研究揭示了不同结构的Al2O3基复合材料的特殊制备工艺及其对复合材料的组织和性能的影响。硬质颗粒起到的增韧效果有限,因而颗粒弥散分布复合材料适用于要求强度和硬度较高而韧性相对较低的条件;层状材料界面处的裂纹偏转和金属塑性变形增韧的效果显著,但其强度较低,并且各向异性;三维连通复合材料在宏观上表现出各向同性,裂纹在三维空间的偏转和被约束使得材料具有较低的裂纹敏感性。这些强韧化机理为精密设计和制备具有不同结构和性能的Al2O3基复合材料提供了实验和理论基础。
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