工程陶瓷材料的加工技术及应用进展研究

具备高强度和硬度,耐腐蚀、磨损和烧蚀及抗氧化等优点的工程陶瓷无论在科研领域还是工业领域都被广泛研究.然而工程陶瓷的高脆性和高熔点特性会导致其在加工过程中容易产生微裂纹、相变区、残余应力等缺陷,因此,工业上对工程陶瓷的加工技术提出了更高的要求以便获得高精度和高质量的工程陶瓷.从工程陶瓷的传统机械加工和特种加工技术两个方面详述了各种加工技术在实际生产中的运用,并结合国内外最新发展技术,提出了复合加工技术将是工程陶瓷加工技术研究重点的观点,在工程陶瓷精密加工领域具有一定的实际指导作用.     

基于能量的工程陶瓷边缘碎裂损伤规律与机理研究

为探究工程陶瓷边缘碎裂损伤规律与机理,建立工程陶瓷的单晶压痕边缘碎裂实验系统,分析了工程陶瓷边缘碎裂损伤演化过程的能量转化和释放特征,结合断口表面形貌,从能量的角度研究了工程陶瓷边缘碎裂的损伤规律与机理.结果表明:工程陶瓷的边缘碎裂过程具有显著的突变特征,在缓慢断裂期,裂纹扩展缓慢,陶瓷材料内部以穿晶断裂为主,绝大部分机械能通过晶粒变形的方式转变为弹性应变能;在瞬断期,裂纹扩展迅速,弹性应变能通过沿晶断裂、相对运动和滑移等形式转化为动能、表面能、损伤能、摩擦热能和辐射能等.幅值和释能率可较好地反映其损伤演化过程的能量释放特征.     

HIPSN陶瓷磨削力与温度的实验研究

为了研究磨削参数对热等静压氮化硅陶瓷磨削温度与磨削力的影响以及磨削温度和磨削力与表面形成之间的关系.通过正交实验得出磨削参数与磨削温度、磨削力以及比磨削能的关系,而后得出比磨削能与表面成形的关系.当砂轮速度由30 m/s增大到45 m/s,法向磨削力由241.4 N减小到185.3 N,切向磨削力由83.5 N减小到58 N,磨削温度由268℃增加到370.5℃,比磨削能由179.14 J/mm-3增加到238.88 J/mm-3,表面质量变好.磨削深度由5μm增加到35μm,法向磨削力由178.15 N增加到274.6 N,切向磨削力由40.88 N增加到115 N,磨削温度由77.75℃增加到593℃;比磨削能由335.74 J/mm-3减小到100.72 J/mm-3,表面质量变差.工件进给速度由1000 mm/min增大到7000 mm/min,法向磨削力由185.13 N增加到256.05 N,切向磨削力由47.48 N增加到91.08 N,磨削温度先由352.25℃减小到308℃,后增加到325.75℃,比磨削能由376.2 J/mm-3减小到94.98 J/mm-3,表面质量变差.当比磨削能较大时,表面以塑性变形的方式去除,比磨削能较小时,表面以脆性断裂的方式去除.在陶瓷磨削加工中尽可能选择小切深和较缓的工件进给速度,并适当提高砂轮线速度.     

工程陶瓷专用磨削液抗堵塞添加剂分子结构设计及其验证

根据有机化学基本原理以及课题组前期总结有机物分子结构与砂轮堵塞间的交互规律,讨论并确立了陶瓷专用磨削液最佳抗堵塞添加剂应具备的分子结构特征.依据该特征设计并选择了月桂酸钠和硬脂酸钾这两种优化添加剂进行试验和验证.试验结果表明:在非极性氮化硅陶瓷磨削过程中,月桂酸钠应用效果最佳,完全抑制砂轮堵塞现象的发生.在极性陶瓷氧化铝磨削过程中,两种试剂也可以起到明显的抗堵塞效果,但抗堵塞能力相对较差.在此基础上,文章讨论了有机物在陶瓷表面的吸附形式与抗堵塞特性之间的交互关系.     

低温烧结3Y-TZP陶瓷的研究

以不同质量分数的MnO2-TiO2(质量比为1:1)为烧结助剂,在1300～1500 ℃下低温烧结制备了3Y-TZP陶瓷.对3Y-TZP陶瓷的相对密度、物相及显微结构、显微硬度、抗弯强度及断裂韧性进行了测试分析,并对烧结助剂的基本性能进行了表征.探究了烧结助剂及烧结温度对3Y-TZP陶瓷性能的影响.实验结果表明:在3Y-TZP陶瓷中加入烧结助剂MnO2-TiO2(质量比为1:1)可以实现低温烧结.试样的相对密度、显微硬度、抗弯强度、断裂韧性随烧结温度的升高先增大后降低.在烧结助剂为0.5wt;,烧结温度为1350 ℃时,试样的相对密度及力学性能都达到最大,在此条件下,试样的相对密度达97.16;,显微硬度为2032.8 HV,抗弯强度为300 MPa,断裂韧性为8.35 MPa· m1/2,且试样的断裂方式为晶粒拔出及晶粒断裂遵循着穿-沿晶断裂的模式,且晶粒极小.     

BiMnO_3改性BNT-BKT压电陶瓷的研究

为了提高BNT基压电陶瓷的电性能,采用传统的陶瓷制备方法,制备了一种Bi基的钙钛矿型无铅压电陶瓷 (1-x)Bi_(0.5)(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)TiO_3-xBiMnO_3 (简写为BNKT-BMx).研究了Bi基铁电体BiMnO_3对该体系陶瓷微观结构和压电介电性能的影响.结果表明:在所研究的组成范围内陶瓷材料均能够形成纯钙钛矿固溶体,微量BiMnO_3不改变该体系陶瓷的晶体结构,但促进晶粒生长.随着BiMnO_3含量增加,低温介电反常峰消失,高温介电峰出现频率分散性.随BiMnO_3含量增加,压电常数d_(33)和机电耦合系数k_p先增加后降低,在x=0.01时,k_p=0.333,x=0.015时,d_(33)=170 pC/N,为该体系陶瓷压电性能的最优值.     

基于第一性原理的BaTiO3陶瓷临界尺寸的研究

采用WIEN2K软件,基于第一性原理对具有不同晶格常数的BaTiO3晶胞结构的特性进行了模拟分析.计算了不同晶胞结构中的电荷密度分布,分析了体积与能量的关系对晶胞结构稳定性的影响.结合试验结果探讨了尺寸效应对瓷体铁电性的影响,找到了晶胞能量最低的状态以及电子轨道杂化最显著的晶胞尺寸.从而确定了晶胞铁电性存在的晶粒的临界尺寸为10～ 15 nm.     

Al2O3陶瓷非等温烧结研究

以高纯α-Al2O3粉体为原料,采用非等温烧结法制备了纯Al2O3陶瓷(AL)及掺杂MgO-Y2O3复合助剂的AJ2O3陶瓷(ALMY).研究了AL和ALMY在不同烧结温度下的相对密度、显微结构及硬度.结果表明,在非等温烧结中,纯Al2O3致密化的烧结温度范围较窄,烧结温度为1500℃时,其相对密度及硬度分别为98.1;和18.1GPa,当烧结温度为1600℃时,AL由于晶粒显著粗化,且产生了晶内气孔,相对密度及硬度分别显著下降到94.6;和12.5 GPa.MgO-Y2O3复合助剂的引入拓宽了Al2O3致密化的烧结温度范围,细化了显微结构,烧结温度在1500℃和1600℃时,ALMY的相对密度均在98;以上,硬度分别为19.2 GPa和17.6 GPa.     

CaTiO3掺杂PbNb2O6高居里温度压电陶瓷的研究

采用传统电子陶瓷的制备方法,系统研究了(1-x)PbNb2O6-xCaTiO3(x=0、0.01、0.02、0.03、0.04)系高居里温度压电陶瓷.XRD分析表明,x=0时,材料只能形成三方非铁电相钨青铜结构,而x在0.01～0.04 mol范围内均能形成钨青铜型固溶体,利用XRD数据计算了晶体的晶格常数随x的变化,发现随着CaTiO3含量增加,晶胞体积减小.陶瓷材料的居里温度测试结果表明该体系具有高的居里温度(Tc＞400℃).测试了不同组成陶瓷的压电、介电性能,CaTiO3的掺杂量为x=0.03时陶瓷样品的压电常数达到d33=64pC/N,平面机电耦合系数kp=0.269,材料的介电常数ε33T/ε0=293,介质损耗tanδ=0.021,居里温度Tc=570℃,该组成具有优异的压电性能,适合于高温环境下的使用.     

含MgO-Lu2O3-Re2O3三元添加剂Si3N4陶瓷摩擦磨损性能的研究

利用球盘式摩擦磨损试验机,研究了含MgO-Lu2O3-Re2O3(La2O3,Sm2O3,Gd2O3,Er2O3)三元添加剂Si3 N4陶瓷的摩擦磨损性能.结果表明:机械磨损和摩擦化学反应为主要磨损机理.在三元添加剂中,随着第二稀土离子Re3+半径的增加,粘附层增加,Si3N4摩擦系数降低.基于横向断裂理论模型,Si3N4陶瓷单位磨损率随着1/(KB1/2H5/8)的增加而增加,其中含有第二相Lu4Si2N2O7的样品SN-LuSm和SN-LuEr优于此线性关系,表现出更好的抗磨损性能.     

Ka波段微波衰减陶瓷的研制

为研制出适用于Ka波段(26.5～40GHz)微波管的高性能微波衰减陶瓷,在Al2O3-TiO2微波衰减陶瓷的基础上,开展了添加钨粉、改变烧结方法对材料电磁参数和热导率影响的研究.结果表明,用热压烧结方式并添加20wt;粒度为4～5 μm的钨粉,可制造出综合性能良好的Ka波段专用微波衰减陶瓷.这一衰减陶瓷的典型性能为,介电常数13.90～21.83,损耗角正切0.20 ～1.02,热导率2.92 W/m·K.