SPS过程中陶瓷的结构控制与性能优化

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论文包括两部份工作:(1)结构功能一体化半透明氮化物陶瓷的制备和(2)体陶瓷材料中晶粒取向聚集生长的研究。 结构功能一体化是先进陶瓷材料的发展方向。本文选择氮化物陶瓷体系,分别研究了高热导率半透明氮化铝(AIN)陶瓷和半透明镁赛龙(Mg-Sialon)陶瓷的制备。材料的微观结构决定其宏观性能,因此对材料化学组份、微观结构的设计,以及烧结工艺的控制是实现陶瓷材料结构功能一体化的关键。针对氮化物陶瓷难烧结的特点,论文采用放电等离子烧结技术(SPS)实现材料的快速致密化与微观结构的调控。 取向聚集生长是除了扩散熟化外另一种单晶生长机理,但是在体材料中未能引起足够的重视。本文对纳米氧化铝(Al2O3)和纳米氧化钇(Y2O3)在SPS烧结过程中的晶粒取向聚集生长进行了探索研究。 各章节主要内容如下:第1章综述了SPS技术的研究进展,重点阐述了非导电粉末中等离子的存在,温度场分布,高压SPS烧结技术,SPS技术在陶瓷超塑性中的应用,SPS烧结中的加压时机,合理升温速率的选取等。第2章通过微观结构设计,选择氟化钙(CaF2)为烧结助剂,控制晶界物相的分布,制备出高热导率(181 W/(m·K)),良好红外透光率(最大透光率52%)的大尺寸(直径70mm)AIN陶瓷;并对CaF2助剂对AIN陶瓷的微观结构的影响和瞬时液相助烧机理进行了探索研究。第3章利用SPS的快速烧结和烧结助剂的选择,实现对Sialon陶瓷的组份调控与微观结构控制,制备出兼具良好力学性能(维氏硬度21.4±0.4GPa,断裂韧性6.7±0.1 MPa·m1/2)和红外透光率(最大透光率66.4%)的Mg-Sialon陶瓷。第4章研究了纳米Al2O3和纳米Y2O3在SPS烧结条件下晶粒的取向聚集生长,并利用颗粒取向聚集机理制备了多孔Al2O3陶瓷。γ-Al2O3相变过程放热为颗粒的旋转迁移提供了驱动力,颗粒的取向聚集生长导致了蠕虫状单晶孔隙架构的形成和孔径的扩大;纳米Y2O3在烧结初期的放热导致了晶粒取向聚集而发生异常长大;第5章对全文进行了总结。
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