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定向凝固Al2O3基共晶自生复合陶瓷具有优异的高温强度、高温结构稳定性、高温抗氧化性及抗腐蚀性,有望成为新一代长期服役于高温氧化性气氛中的超高温结构材料。本文以采用光悬浮区熔法制备的定向凝固Al2O3/GdAlO3(GAP)二元共晶自生复合陶瓷材料为研究对象,对其制备工艺进行优化,分析了预制体和籽晶对制备Al2O3/GAP共晶陶瓷的影响;研究了凝固速率与共晶组织之间的关系,对Al2O3/GAP共晶陶瓷的微观组织形貌、相组成、择优取向和相界面结构进行了研究;测定了不同温度下Al2O3/GAP共晶陶瓷的力学性能,包括硬度、断裂韧性、弯曲强度和压缩强度,并对其增韧机制进行了分析。研究结果表明:随着抽拉速率的增大,Al2O3/GAP共晶组织片层间距逐渐减小。当其过大(>60mm/h)时,试样表面会产生宏观裂纹,组织中出现了胞状及条带状组织,二者均会降低材料的力学性能。Al2O3/GAP共晶陶瓷试样呈乳白色棒状,表面无裂纹和孔洞,致密度高,试样中只存在Al2O3和GAP两相,无非晶相的存在,两相体积比为Al2O3:GAP=48:52,接近其理论值(45:55)。Al2O3相和GAP相相互连通并耦合形成网状结构,是典型的非规则共晶组织。相比于同成分烧结材料的多晶组织,Al2O3/GAP共晶陶瓷更为致密,无明显缺陷。Al2O3/GAP共晶陶瓷中,两相择优生长方向关系为:<1010>Al2O3//<001>GAP-1,<1010>Al2O3//<110>GAP-2,<001>GAP-1//<110>GAP-2。Al2O3相和 GAP 相相界面晶体学位向关系为:[1010]Al2O3//[001]GAP-1,(112 0)Al2O3//(200)GAP-1;[1010]Al2O3//[110]GAP-2,(1120)A12O3//(112)GAP-2;[001]GAP-1//[110]GAP-2,(110)GAP-1//(110)GAP-2。两相形成低能界面,具有良好的界面匹配。室温环境下,Al2O3/GAP共晶陶瓷的硬度为16.1±0.3 GPa,断裂韧性为9.3±0.6 MPa·m1/2,纵截面硬度和断裂韧性均略大于横截面,呈现出各向异性。高温环境下,硬度为12.3±0.3 GPa,断裂韧性为10.2±0.1 MPa·m1/2,随着温度升高硬度降低,而断裂韧性缓慢增大。Vickers压痕裂纹通过微裂纹增殖、桥接、分叉和偏转等方式削减了主裂纹扩展的能量,相界面对裂纹扩展的阻碍作用提高了材料的断裂韧性。Al2O3/GAP共晶陶瓷的室温三点弯曲强度为533±28 MPa,解理裂纹通过分叉和偏转极大的消耗了主裂纹的扩展能量,提高了 Al2O3/GAP共晶陶瓷的强度。Al2O3/GAP共晶陶瓷的室温压缩强度为865 MPa,在压缩过程中,试样内部的裂纹扩展并交汇,发生了以剪切破坏为主的解理断裂。赫兹压痕实验结果表明,高温下Al2O3相和GAP相中存在大量高密度位错,位错在运动的过程中遇到相界面会终止,牢固结合的相界面对位错运动起到阻碍作用。