晶须框架强韧化莫来石陶瓷的研究

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莫来石陶瓷因具有优良耐腐蚀性以及良好的抗热震性而得到广泛的研究与应用。由于其具有较大的脆性,限制了其在工程上的应用,进一步提高其力学性能,对拓展莫来石陶瓷的应用具有明显的工程意义。采用纤维(晶须)增强的方法是强韧化陶瓷材料的有效手段。本研究通过气固反应制备了高气孔率晶须框架,通过浸渗将莫来石溶胶引入晶须框架中,干燥后分别通过无压烧结和热压烧结制备了晶须框架强韧的多孔莫来石陶瓷和相对致密的莫来石陶瓷,基于晶须拔出、桥联和裂纹偏转机理,以达到强韧化莫来石陶瓷的目的。研究原料组成、烧结温度等对陶瓷物相组成、烧结性能、微观形貌、力学性能的影响规律。研究结果表明:(1)以Al2O3、正硅酸乙酯(Si O2的来源)、Al F3、H2O、乙醇为原料,溶胶凝胶法制备了莫来石晶须生坯粉料,通过气固反应分别在1100℃、1200℃、1500℃和1600℃制备了具有高气孔率(60%~70%)的晶须框架。当添加Al F3的量为20wt.%时,反应体系中Al2O3和Si O2的摩尔比为3:3,生成了纯的莫来石晶须框架。随着烧结温度的升高,晶须框架的失重率逐渐变大,孔隙率变低,晶须尺寸变大,在1200℃晶须之间形成了明显的烧结颈。(2)通过无压烧结制备出晶须框架强韧的多孔莫来石陶瓷。框架结构的莫来石晶须对多孔莫来石陶瓷强韧效果明显。气孔率为43.5%的晶须强韧陶瓷的增强效果最佳,抗弯强度强度达到了75MPa。单向压缩法测试断裂韧性实验表明,多孔陶瓷的断裂韧性随气孔率增大而增大,气孔率为28%的晶须强韧陶瓷的增韧效果最佳,韧性值T达到2.57。(3)通过热压烧结制备出晶须强韧莫来石陶瓷。随着晶须占比的提高,试样在烧结过程中的线收缩率降低;单边缺口梁法测得的断裂韧性表明,晶须占比为69.5wt.%时莫来石陶瓷的断裂韧性最高,达到了2.4MPa·m1/2;晶须占比为69.5wt.%时莫来石陶瓷的抗弯强度最高,达到了325MPa,随着晶须含量的进一步提高,气孔率变高导致莫来石陶瓷的抗弯强度迅速降低。
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