【摘 要】
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热膨胀性能是材料的基本性质。在航空航天等领域,当器件面临极端工作温度时,巨大的温差会使得材料产生较大的热膨胀形变,或者使材料发生不均衡热膨胀,导致器件内产生热应力,致使器件性能下降,甚至直接断裂和脱落,无法继续使用。因此,具有低热膨胀系数、良好抗热震性能的低膨胀陶瓷材料就成了航空航天等领域的研究热点。传统的低膨胀材料包括NZP族磷酸盐陶瓷、钛酸铝陶瓷、堇青石陶瓷等。NZP族磷酸盐陶瓷中的Ca Zr
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热膨胀性能是材料的基本性质。在航空航天等领域,当器件面临极端工作温度时,巨大的温差会使得材料产生较大的热膨胀形变,或者使材料发生不均衡热膨胀,导致器件内产生热应力,致使器件性能下降,甚至直接断裂和脱落,无法继续使用。因此,具有低热膨胀系数、良好抗热震性能的低膨胀陶瓷材料就成了航空航天等领域的研究热点。传统的低膨胀材料包括NZP族磷酸盐陶瓷、钛酸铝陶瓷、堇青石陶瓷等。NZP族磷酸盐陶瓷中的Ca Zr4(PO4)6陶瓷具有使用温度较高、化学性质稳定、制备时不容易产生杂相等优点,因而有希望成为航空航天材料的首选材料。但是,Ca Zr4(PO4)6陶瓷较差的力学性能限制了该材料的应用。这也是NZP族陶瓷材料的通病。针对其力学性能较差的缺点,本文采取了晶须增韧及快速热压烧结工艺改良Ca Zr4(PO4)6陶瓷。采用共沉淀法制备Ca Zr4(PO4)6陶瓷粉体,采用普通无压烧结和快速热压烧结进行陶瓷的烧制。对试样进行X射线衍射分析、扫描电镜分析、材料密度、抗弯强度及热膨胀系数测试。研究了材料组分及烧结工艺对材料的结构与性能的影响。(1)采用快速热压烧结工艺制备Ca Zr4(PO4)6陶瓷。探讨了新工艺的烧成制度,研究了保温时间、烧结温度、烧结压力对于材料的结构与性能的影响。经过对陶瓷烧结过程中的实时收缩量的分析,确定烧成段的保温时间为8分钟。快速热压烧结工艺会导致材料本体微裂纹的空间减少,这会提高材料的平均热膨胀系数。烧结的压力促进了材料的致密化,显著提高了材料的密度与抗弯强度。烧结温度的提高有利于陶瓷的致密化,最佳的烧结温度为1150℃、压力为50 MPa,制得的陶瓷的抗弯强度达到最大值94 MPa。陶瓷热膨胀系数为1.04×10-6/℃。(2)依据晶须增韧原理,利用Si Cw对Ca Zr4(PO4)6陶瓷进行补强增韧。讨论了Si Cw加入量和烧结温度对Ca Zr4(PO4)6-Si Cw复合陶瓷的结构与性能的影响。研究得到的最佳烧结温度为1400℃,温度提高到1500 oC会使材料分解。提高Si Cw加入量可以增强晶须增韧的效果,但同时也会影响陶瓷烧结的能力,所以,随着Si Cw加入量的增加,陶瓷的密度和力学性能呈现先上升后下降的趋势。在Si Cw加入量为5wt%时,材料的抗弯强度达到最大值,为56 MPa。此时,材料的热膨胀系数为0.501×10-6/℃。提高烧结温度对提高Ca Zr4(PO4)6-Si Cw复合陶瓷的致密度有利,但是,仅仅通过提高烧结温度很难达到Ca Zr4(PO4)6-Si Cw复合陶瓷的充分致密化。Ca Zr4(PO4)6-Si Cw复合陶瓷在烧结温度达到1500℃时发生分解。(3)采用了快速热压烧结工艺制备Ca Zr4(PO4)6-Si Cw复合陶瓷。探讨了新工艺的烧成温度制度,研究了烧结温度、烧结的压力、保温时间、和碳化硅晶须加入量对材料的结构与性能的影响。最佳的烧结温度和保温时间分别为1225℃、10 min。当碳化硅晶须加入量达到7.5wt%时,材料的抗弯强度达到124 MPa,热膨胀系数维持在较低的水平。快速热压烧结促进烧结的效应大于晶须抑制烧结,材料的晶粒比无压烧结试样的晶粒小。
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