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AlN-SiC复合陶瓷的力学与抗侵蚀性能

作　者: 安力
导　师: 贾德昌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: AlN-SiC复合陶瓷固溶体力学性能冰晶石腐蚀
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着熔炼行业的不断发展,工业上对电解槽侧壁材料提出了不断增加的新的要求,因此各种具有特殊结构性能的特种陶瓷材料逐渐被引入到此行业当中。本文通过热压烧结方法制备AlN-SiC复合陶瓷,研究了加入不同含量SiC及助烧剂（Al₂O₃+Y₂O₃）的引入的对比对复合陶瓷组织及力学性能以及抗腐蚀性能的影响。加入助烧剂（Al₂O₃+Y₂O₃）后,相对于无助烧剂的体系,在相对较低的温度下,得到的复合陶瓷的致密度明显提高。对于两个体系,当SiC和AlN的质量比为3:7时,复合陶瓷时致密度最大。其中,SA3的致密高达99.7%,几乎接近完全致密。组织分布比较均匀,无团聚和异常长大现象。在背散射条件下烧结后的复合陶瓷主要分为白色、深灰色和灰色三种区域。通过透射电镜观察发现在较大的AlN晶粒周围,AlN和SiC较好的形成了固溶体。加入助烧剂之后,晶间相分布在三角晶界处。在单个的AlN晶粒内部发现了较多的层错和位错,对于提高材料的强度具有一定的作用。随着SiC含量的增加,复合陶瓷的固溶度增加,分别为60.9%和70.7%。有助烧剂的体系的固溶度明显高于无助烧剂体系。AlN和SiC形成固溶体之后AlN的晶格常数变大。无助烧剂体系的复合陶瓷,随着SiC含量的增加,抗弯强度和断裂韧性呈增大趋势,最大值分别为483.3MPa和4.7MPa·m1/2;弹性模量和维氏硬度先增大后减小,最大值分别为281GPa和12.8GPa。加入助烧剂（Al₂O₃+Y₂O₃）之后,抗弯强度随SiC含量增加而增大,弹性模量、断裂韧性和维氏硬度都呈现先增大后减小的趋势。加入助烧剂后材料的综合力学性能提高。断口形貌复杂,穿晶断裂后的晶粒断面上出现明显的台阶和河流花样。随着保温时间的延长,复合陶瓷单位面积的质量呈现抛物线的变化规律。保温5小时出现少量得减小,延长到10小时后出现增加,15小时后生成物与基体剥离,质量减小。随着SiC含量的增加,反应层明显增厚。保温15小时后,S2、S3、S4反应层最大分别为60μm、120μm、200μm左右。SA2、SA3、SA4的最大反应层分别为80μm、150μm、250μm左右。相对于无助烧剂体系,加入助烧剂之后,反应层明显增加。冰晶石与基体材料产生的霞石具有较高的粘度,能够有效的阻止冰晶石熔体扩散的进行。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-23
  1.1 课题背景  9
  1.2 国内电解槽壁材料的研究  9-15
    1.2.1 SiC 体系陶瓷  10-12
    1.2.2 Sialon 复合陶瓷  12-14
    1.2.3 AlN 陶瓷  14-15
  1.3 AlN 陶瓷材料的研究现状  15-21
    1.3.1 AlN 陶瓷的应用  15-16
    1.3.2 AlN 陶瓷的烧结工艺  16-18
    1.3.3 SiC-AlN 复合陶瓷  18-21
  1.4 研究目的及内容  21-23
    1.4.1 研究目的  21-22
    1.4.2 研究内容  22-23
第2章试验材料与研究方法  23-31
  2.1 试验用原材料  23-25
  2.2 AlN-SiC 复合陶瓷制备  25-26
    2.2.1 成分、烧结工艺设计  25
    2.2.2 制备工艺  25-26
  2.3 试验研究方法  26-31
    2.3.1 相对密度的测定  26-27
    2.3.2 抗弯强度和弹性模量测定  27-28
    2.3.3 断裂韧性的测定  28
    2.3.4 维氏硬度的测定  28-29
    2.3.5 抗熔融冰晶石侵蚀性能的测试  29-30
    2.3.6 XRD 物相分析  30
    2.3.7 扫描电镜(SEM)观察  30
    2.3.8 投射电镜(TEM)分析  30-31
第3章 AlN-SiC 复合陶瓷的组织及力学性能  31-60
  3.1 复合陶瓷的烧结  31-36
    3.1.1 无助烧剂体系的AlN-SiC 复合陶瓷的致密度  31-32
    3.1.2 有助烧剂体系的AlN-SiC 复合陶瓷的致密度  32-34
    3.1.3 复合陶瓷的致密机理分析  34-36
  3.2 AlN-SiC 复合陶瓷的组织  36-41
    3.2.1 无助烧剂体系的AlN-SiC 复合陶瓷的组织  36-37
    3.2.2 有助烧剂体系的AlN-SiC 复合陶瓷的组织  37-41
  3.3 AlN-SiC 复合陶瓷的物相及固溶  41-51
    3.3.1 无助烧剂体系的AlN-SiC 复合陶瓷的物相及固溶  41-46
    3.3.2 有助烧剂体系的AlN-SiC 复合陶瓷的物相及固溶  46-51
  3.4 AlN-SiC 复合陶瓷的力学性能  51-58
    3.4.1 无助烧剂的AlN-SiC 复合陶瓷的力学性能  51-55
    3.4.2 有助烧剂的AlN-SiC 复合陶瓷的力学性能  55-58
  3.5 本章小结  58-60
第4章 AlN-SiC 复合陶瓷材料的抗冰晶石侵蚀性能  60-80
  4.1 腐蚀实验前后质量变化  60-62
    4.1.1 无助烧剂体系的质量变化  61-62
    4.1.2 有助烧剂体系的质量变化  62
  4.2 腐蚀反应层分析  62-75
    4.2.1 无助烧剂的腐蚀反应层  62-69
    4.2.2 有助烧剂体系的反应层  69-75
  4.3 腐蚀的物理化学过程  75-77
  4.4 影响因素  77-79
    4.4.1 致密度及组织  77-78
    4.4.2 腐蚀时间  78-79
  4.5 本章小结  79-80
结论  80-81
参考文献  81-84
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  84-86
致谢  86

AlN-SiC复合陶瓷的力学与抗侵蚀性能

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