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[学位]

放电等离子体烧结制备陶瓷材料过程中的快速固态反应与晶粒生长行为研究

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Author:

刘毅 (刘毅.)

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学位论文库

Abstract:

放电等离子体烧结,是一种材料烧结技术。其独特的加热机制使其具有升温速率快、保温时间短以及烧结温度低等特点。目前,随着放电等离子体烧结设备的广泛普及,其已成为制备陶瓷材料的一种常用方法。在放电等离子体烧结过程中,固态反应与晶粒生长是两个最基本的问题。因此,本论文主要围绕这两个方面进行了研究,以期更好地利用放电等离子体烧结对陶瓷材料的微观结构进行调控。首先,研究了钛粉与氮化铝粉在放电等离子体烧结过程中的快速固态反应,进而得到了纯度较高的Ti2AlN陶瓷。结果表明放电等离子体烧结有利于固态反应的进行。用TiH2粉代替Ti粉与AlN进行反应后,得到了单相Ti2AlN陶瓷并研究了其力学性能。在采用梯形模具后,利用Ti2AlN的热分解,得到了Ti2AlN/TiN功能梯度材料。此梯度材料具有明显的硬度梯度变化。其次,研究了纳米羟基磷灰石粉体在放电等离子体烧结过程中的晶粒生长行为。结果表明,在放电等离子体烧结过程中存在一个动力学温度窗口。在此温度窗口内可以有效地控制晶粒生长,并且得到了透明的块体羟基磷灰石。而在此温度窗口外,纳米粉体不能完全地致密化或者出现晶粒的快速长大甚至异常长大。在研究固态反应时发现,Ti与AlN的反应是一个AlN不断向Ti中扩散的过程。在此过程中,先后出现TiN、Ti3Al、Ti3AlN、Ti2AlN以及TiAl等相。研究表明:随着扩散的进行,Ti3Al及Ti3AlN不断向Ti2AlN转变,而最后TiN与TiAl的反应是决定Ti2AlN纯度的关键因素。在反应后期,TiAl在反应坯体中的流动一方面加剧了其与TiN的反应,另一方面随着TiAl的挤出,最终导致了TiN在Ti2AlN中的过剩,于是在1400℃保温5 min后,所得的Ti2AlN陶瓷中仍含有少量的TiN相。当采用粒径更小的TiH2粉代替Ti粉与AlN进行固态反应后,在1200℃保温5 min时制备出了单相Ti2AlN陶瓷。研究发现:TiH2粉粒径的降低,减小了AlN向其扩散的路径,进而降低了合成温度。力学性能研究表明:制备出的单相Ti2AlN陶瓷的抗弯强度为354 MPa,断裂韧性为9.3 MPa•m1/2,硬度为4.1 GPa,材料具有低硬度以及高断裂韧性。压痕行为表明:在外加载荷作用下,Ti2AlN陶瓷的晶粒具有层间微开裂,进而吸收了外加载荷所做的功,避免了压痕周围径向裂纹的出现,保证了其具有良好的可加工性能。通过模具设计,在烧结体内产生了大于100℃的温度梯度。利用此温度梯度,得到了TiH2与AlN反应过程中的连续微观结构变化。这为研究其它固态反应提供了一条良好的途径,尤其是对于复杂的固态反应。最后利用Ti2AlN的热分解,制备出了Ti2AlN/TiN功能梯度材料。在此功能梯度材料中,实现了材料成分的连续变化。材料的硬度从富含Ti2AlN一侧的3.9 GPa逐渐增加到富含TiN一侧的17 GPa。在研究放电等离子体烧结过程中的晶粒生长行为时,采用了两种不同的纳米羟基磷灰石粉体:商业团聚粉体(简称SD粉)及实验室合成的无团聚粉体(简称HT粉)。研究表明:两种粉体在700℃左右开始其致密化过程。在此过程中,纳米粉体颗粒从长棒状逐渐变为等轴状,并且有微弱的粗化发生。在达到某一温度后,两种粉体都出现了晶粒快速长大行为。在此把从致密化开始的温度到晶粒开始快速长大的温度区间定义为动力学温度窗口。在这个窗口内,通过控制放电等离子体烧结过程中的参数,有效地抑制了晶粒生长,并且分别在925℃及775℃时,100 MPa的压力下制备出了高透过率的纳米晶羟基磷灰石块体材料。两者间巨大的温度差异归因于SD粉中团聚体所引入的大的堆积缺陷以及团聚体内的本征缺陷。即使在放电等离子体烧结过程中,这种大的缺陷仍然具有很强的遗传性,因而需要更高的温度来消除或者减弱这种缺陷。同时这种大的缺陷的存在,减缓了SD粉的致密化过程。此外,通过进一步控制放电等离子体烧结过程中的参数,制备出了晶粒尺寸可控的透明羟基磷灰石块体材料。但即使在透明羟基磷灰石中,这些缺陷的痕迹和影响依然存在。两种粉体分别在1000℃(SD粉)及950℃(HT粉)时开始晶粒快速长大。随着晶粒的快速长大,在致密的烧结体内有气孔生成,材料由透明变为不透明。并且两种粉体呈现不同的快速长大行为。对于SD粉,快速长大的晶粒为等轴状晶粒;而对于HT粉,快速长大的晶粒为长棒状晶粒。当温度进一步升高时,HT粉出现了巨大的长棒状异常长大晶粒。这种快速长大行为归因于羟基磷灰石在高温时的脱水以及脱碳酸根反应。这些变化在致密烧结体内形成了微水热环境,促进了扩散的进行,导致了晶粒的快速长大。随着晶粒的界面能的改变以及微水热环境在局部的聚集,出现了晶粒的异常长大。

Keyword:

放电等离子体烧结固态反应晶粒生长钛铝氮羟基磷灰石

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  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 金志浩

Year: 2012

Language: Chinese

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