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ZrO_2增韧的纳米陶瓷材料性能和超声磨削加工试验研究

作　者: 段铁林
导　师: 赵波
学　校: 河南理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 纳米ZTA复相陶瓷等静压成型物理力学性能超声磨削差热分析
分类号: TG580.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文主要研究先进工程陶瓷材料的性能和超声振动磨削加工。利用ZrO₂相变和微裂纹韧化对Al₂O₃陶瓷增强增韧,制备出不同ZrO₂含量的亚微米ZrO₂-Al₂O₃复合陶瓷,得出其在具有最佳性能和结构时的ZrO₂含量。按照最佳含量配比制备该含量下的纳米ZTA复相陶瓷,并研究其物理力学性能和微观结构以及增韧补强机理。分别用干压成型和等静压成型制备纯纳米ZrO₂陶瓷,测定其物相组成,观察其微观结构,测试其各项物理力学性能。研究不同制备工艺对陶瓷材料性能和结构的影响。最后对各陶瓷试样进行差热分析,研究它们在20℃～1400℃范围内各温度下的热流量和重量变化及相变情况。使用超精密平面磨床对各陶瓷试样进行普通、一维超声和二维超声磨削试验,研究材料本身性能、磨削深度ap、工件速度Vw、砂轮转速Vs、砂轮粒度和超声振动等因素对复相陶瓷的磨削力和磨削表面质量的影响。研究它们的材料去除机理并进行可磨削加工性能的评价。试验结果表明,ZrO₂的含量和基体的致密化程度是影响线收缩率的重要因素。ZrO₂含量为25wt%时具有最佳的物理力学性能,纳米ZTA复相陶瓷的气孔率、吸水率、体积密度都较为理想,平均抗弯强度高达420.15±21.36MPa,断裂韧性高达5.22MPam1/2,各项性能明显优于亚微米Al₂O₃-ZrO₂复合陶瓷。ZrO₂-Al₂O₃复合陶瓷的主晶相为α-Al₂O₃及ZrO₂（t）,基体具有非常均匀和致密的断口表面,超声磨削加工的表面质量高,可磨削加工性能好。磨削机理在特定的磨削环境中产生,受选定的磨削深度ap、工件速度Vw、砂轮粒度等诸多因素的影响。当满足发生脆-塑转变的临界条件时,磨削方式可以从脆性断裂转变为塑性流动。纳米ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷的磨削加工表面质量优于亚微米ZrO₂-Al₂O₃复合陶瓷。在材料组成、磨削条件等都相同的情况下,采用等静压成型比干压成型的陶瓷、超声磨削比普通磨削、二维超声磨比一维超声磨削得到更加优质的表面质量。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-24
  1.1 课题来源及研究意义  10-11
    1.1.1 课题来源  10
    1.1.2 研究意义  10-11
  1.2 氧化铝陶瓷的基本概念和研究现状  11-14
    1.2.1 氧化铝陶瓷的结构与性能  11
    1.2.2 氧化铝陶瓷材料的增韧  11-13
    1.2.3 氧化铝基陶瓷增韧研究的发展方向  13-14
  1.3 氧化锆陶瓷的基本概念和研究现状  14-16
    1.3.1 氧化锆的晶体结构与相变特性  14-15
    1.3.2 氧化锆陶瓷的增韧机制  15
    1.3.3 氧化锆粉体与增韧补强材料的关系  15-16
  1.4 纳米陶瓷研究现状与应用前景  16-20
    1.4.1 纳米陶瓷粉体的制备技术  16-17
    1.4.2 影响纳米陶瓷力学性能的因素分析  17-19
    1.4.3 纳米陶瓷的应用前景与方向  19-20
  1.5 纳米ZTA 复相陶瓷的研究  20-22
    1.5.1 微观结构的研究  20
    1.5.2 增韧机理的研究现状  20-22
  1.6 本论文的整体框架结构及主要研究内容  22-24
    1.6.1 本文的整体框架结构  22
    1.6.2 本文的主要研究内容  22-24
2 陶瓷材料物理力学性能试验研究  24-52
  2.1 引言  24-25
  2.2 各陶瓷试样材料配比及制备  25-26
    2.2.1 陶瓷粉体的制备  25-26
    2.2.1 陶瓷基体的制备  26
  2.3 陶瓷烧结体的性能测试方案  26-30
    2.3.1 物理性能测试方案  27-28
    2.3.2 力学性能测试方案  28-29
    2.3.3 断口形貌SEM 观测方法  29
    2.3.4 X 射线物相分析试验研究  29-30
    2.3.5 DSC 差热分析试验研究  30
  2.4 试验结果与分析  30-51
    2.4.1 物理性能研究  30-35
    2.4.2 力学性能研究  35-37
    2.4.3 断口的微观形貌分析  37-42
    2.4.4 氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷的增韧机理研究  42-43
    2.4.5 陶瓷烧结体与断口的物相分析  43-48
    2.4.6 热学性能分析  48-51
  2.5 本章小结  51-52
3 超声磨削陶瓷材料磨削力及表面粗糙度研究  52-66
  3.1 引言  52-53
  3.2 超声振动磨削及测试系统  53-56
    3.2.1 超声振动磨削加工试验现场  53
    3.2.2 超声振动磨削加工工装设备选用  53-54
    3.2.3 一维和二维超声振动磨削及测试系统  54-56
  3.3 试样制备试验  56-57
  3.4 磨削力、材料去除率及表面粗糙度研究  57-63
    3.4.1 磨削力的影响因素研究  57-59
    3.4.2 材料去除率的影响因素研究  59-61
    3.4.3 表面粗糙度的影响因素研究  61-63
  3.5 本章小结  63-66
4 陶瓷材料磨削加工微观形貌及磨削机理试验研究  66-84
  4.1 引言  66-67
  4.2 磨削加工试验  67-68
    4.2.1 试验条件  67
    4.2.2 试验方法  67-68
  4.3 磨削加工微观形貌对比研究  68-76
    4.3.1 超声磨削与普通磨削对比  68-70
    4.3.2 一维超声磨削与二维超声磨削对比  70-71
    4.3.3 不同氧化锆含量的复相陶瓷超声磨削对比  71-74
    4.3.4 不同制备工艺的陶瓷普通磨削微观形貌对比  74-76
  4.4 陶瓷材料磨削机理及脆-塑转变规律试验研究  76-82
    4.4.1 陶瓷材料磨削机理试验研究  76-79
    4.4.2 陶瓷材料磨削的脆-塑转变规律研究  79-82
  4.5 本章小结  82-84
5 结论  84-86
参考文献  86-92
附录  92-93
致谢  93-94
详细摘要  94-95

ZrO_2增韧的纳米陶瓷材料性能和超声磨削加工试验研究

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