原位生长柱状晶与畴切换增韧氧化铝陶瓷微波烧结行为及机理研究

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氧化铝陶瓷因其优异的综合力学性能和较低的成本得到了广泛的应用,具有十分诱人的应用前景。然而由于氧化铝陶瓷材料的断裂韧性较低,通常只有3MPa·m1/2左右,极大地限制了其应用,因此提高其断裂韧性成为该陶瓷具体应用的重点问题。本文通过α-Al2O3中添加不同配比的复相添加剂Nb2O5-La2O3,使用微波烧结技术制备了Nb2O5-7.5La2O3-Al2O3系列复合陶瓷。探讨了不同复相成分和微波烧结工艺对氧化铝基复合陶瓷柱状晶组织的影响;通过XRD、SEM、EDS和TEM研究了其柱状晶组织与烧结工艺的对应关系。分析了10Nb2O57.5La2O3-82.5Al2O3复合陶瓷氧化铝晶粒的生长动力学以及复合陶瓷的增韧机制,并对氧化铝基复合陶瓷进行EBSD分析。研究结果表明:Nb2O5-7.5La2O3-Al2O3系列复合陶瓷中,当Nb2O5摩尔含量不超过La2O3摩尔含量时,复合陶瓷物相由α-Al2O3、LaAl11O18和LaNbO4三种组成,柱状晶包含LaAl11O18相和Al2O3相两种;当Nb2O5摩尔含量超过La2O3摩尔含量时,复合陶瓷物相由α-Al2O3、LaNbO4和Nb2O5三种组成,柱状晶为Al2O3相。在此情况下,Al2O3柱状晶的晶粒长度和长径比都随着Nb2O5含量的增加而增加,柱状晶平均晶粒长度最大可达25μm,平均长径比最大可达6:1。15Nb2O57.5La2O377.5Al2O3复合陶瓷中柱状晶的平均晶粒长度和长径比均随烧结温度的提高和保温时间的延长而增加,平均晶粒长度最大为25μm,平均长径比增加到5:1后就保持不变。10Nb2O57.5La2O382.5Al2O3复合陶瓷平均晶粒生长指数为1.69,平均晶粒生长激活能为221.9kJ/mol;15Nb2O57.5La2O377.5Al2O3复合陶瓷平均晶粒生长指数为2.5,平均晶粒生长激活能为434.22kJ/mol。氧化铝基复合陶瓷的增韧机制为裂纹偏转与畴切换复合增韧。LaNbO4相主要分布在晶界上,通过畴切换吸收断裂能。采用结构精修方法得到了LaAl11O18相和LaNbO4相的原子占位及坐标。通过EBSD分析技术得到了带标定的Al2O3相、LaAl11O18相和LaNbO4相的菊池花样,取向成像图,面分布图和极图等数据。Al2O3柱状晶在[110]方向上有微弱的(2.94)织构,这种少量(≤10%)随机分布的Al2O3柱状晶与基体和其他相结合紧密,有利于陶瓷烧结过程的致密化。
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