B4C和PZT陶瓷的固液协同烧结及致密化控制

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先进陶瓷由于具有优异的力学性能以及各种声、光、电、磁等独特功能,在航空航天、新能源、核工业以及军事工业中有着广泛的应用需求。美、日、欧盟、俄罗斯等发达国家均将先进陶瓷的研发提升到战略高度,并投入巨资开展了大量的研究工作。陶瓷材料的烧结密度是保证其力学性能及其他功能的内在关键因素,已成为其烧结技术和烧结工艺参数优化设计的主要评价指标。本文从影响烧结密度的主要因素调控角度出发,探寻一种陶瓷的烧结密度有效调控制备方法,以达到陶瓷材料(产品)满足服役性能要求,降低能耗和生产成本,丰富其成形理论,促进工程化应用。以碳化硼(B4C)结构陶瓷和锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷为研究对象,分别开展不同陶瓷组分、烧结温度、烧结时间下的固液协同烧结试验和微观组织与性能测试表征研究;在分别开展了不同烧结助剂下的显微组织和性能的对比分析研究基础上,通过烧结动力学分析和基于阿伦尼乌斯方程,开展了烧结温度对烧结表观活化能及动力学方程拟合参数的补偿分析研究。采用了反映初始压坯密度、理论密度和烧结密度的内在关系的综合评价因子γ,开展了综合考虑烧结温度、烧结时间、初始密度和配方的陶瓷致密化控制模型构建研究;并借助于平均绝对误差(AARE)和相关性系数(R)为评价指标,开展了模型精度分析研究。采用固液协同烧结方法,开展了不同配比的碳源及其添加方式对B4C陶瓷烧结性能的影响研究。以碳黑和酚醛树脂作为碳源,分别研究了单一添加碳黑、单一添加酚醛树脂、混合添加(碳黑+酚醛树脂)的不同添加方式以及添加比例对B4C陶瓷的烧结密度、显微结构、力学性能的影响,并对碳的増韧机制进行了分析研究。结果表明,采用混合添加(碳黑+酚醛树脂)且碳黑﹕酚醛树脂比例为11﹕3时,碳化硼陶瓷相对烧结密度最大为94.8%,抗弯强度322MPa,硬度22GPa,断裂韧性3.17 MPa·m1/2,显微结构显示晶粒和气孔细小,分布均匀。碳具有一定的増韧作用,増韧机制为微裂纹増韧和裂纹偏转。以Al2O3和Y2O3作为液相烧结助剂,固定C和SiC含量,开展了不同烧结温度、成分配比下的液相烧结助剂对B4C陶瓷烧结显微结构和力学性能的影响研究。结果表明,采用混合添加(Al2O3+Y2O3)方式,在2200℃烧结温度下,制备出了相对烧结密度大于95%的B4C陶瓷,其抗弯强度最大值为358 MPa,硬度为26.44GPa,断裂韧性为3.31MPa·m1/2。借助于扫描电镜(SEM)和能量分析(EDS)对Al2O3-Y2O3-C-SiC-B4C固液协同烧结体系的显微结构、致密化机理进行了研究分析,发现原位反应生成的Y3Al5O12(YAG)液相可以很好地促进B4C颗粒的致密化烧结,但过量液相也会导致晶粒异常长大、组织粗化,对致密化烧结过程产生不利影响。直接添加YAG粉烧结制备碳化硼陶瓷对比试验也间接证明了这一结果。此外,陶瓷复合靶板的抗弹试验表明碳化硼陶瓷可以作为优良装甲防护材料在单兵和特种车辆防护上具有潜在的应用价值。在B4C结构陶瓷的研究基础上,研究了CdO掺杂对PZT95/5陶瓷材料的相结构、烧结性能和压电性能的测试分析研究。结果表明,添加CdO并没有改变PZT95/5的钙钛矿相结构,而且使PZT95/5的烧结温度从1350℃降低至1100℃,当CdO的添加比例为0.5mol%和1.0mol%时,PZT95/5陶瓷的烧结性能、压电性能与1350℃烧结的性能比较接近。在固定CdO添加量的基础上,研究了液相掺杂助剂CuO和Li2CO3对ZT95/5陶瓷材料的相结构、烧结性能和压电性能的影响。结果表明,添加CuO和Li2CO3均未改变PZT95/5钙钛矿相结构,而且可以使PZT95/5的烧结温度继续降低,在1050℃即可实现致密化烧结,添加Li2CO3的PZT95/5陶瓷材料具有较好的相对烧结密度和优良的压电性能。基于粉末烧结综合作用理论和烧结动力学方程,在考虑温度对表观活化能和拟合参数补偿作用的基础上,构建了综合考虑烧结温度、烧结时间、成分配比(活化能,理论密度)、初始压坯密度的固液协同烧结致密化模型。以平均绝对误差(AARE)和相关系数(R)作为评价指标,进行了该模型精度分析,结果显示模型的烧结密度预测值和试验实测值之间具有较高的正相关性,平均绝对误差小于20%。
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