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陶瓷复合材料具有较高的强度和硬度特性,是复合材料的典型代表之一。氧化铝陶瓷以其耐高温、抗氧化、耐磨损等优良特性,成为当今世界上应用最广的陶瓷材料之一。原位合成具有简化工艺、降低原材料成本及实现特殊显微结构设计和获得特殊材料性能,已成为制备复合材料的主要技术。
本研究探索了一条低成本合成高性能Al2O3/SiC复合材料的新途径,以天然矿物高岭土和碳为主要原料,采用原位碳热还原合成技术,合成制备了Al2O3/SiC复相陶瓷粉末,进一步采用热压烧结技术,高温烧结了Al2O3/SiC复合材料。避免了颗粒的界面污染,改善了界面的结合性,获得了性能优良的Al2O3/SiC复合材料。对反应的热力学过程进行了理论分析,探讨了合成Al2O3/SiC的反应动力学过程,对合成的复合材料进行了性能测试和微观结构分析。通过对反应过程的热力学理论计算,分析了反应能进行的方程式,理论计算了高岭土和碳反应最终的产物物相。结合差热分析,分析了在Al2O3/SiC反应合成系统中各反应发生的理论温度。X射线衍射物相分析,分析了高岭土碳热还原合成Al2O3/SiC的热力学机理。通过对不同碳源和在不同温度的反应产物的X射线衍射分析,初步分析了反应过程中不同碳源和温度对合成粉末的影响。探索了合成Al2O3/SiC复相陶瓷粉末的最佳温度和最佳碳源。分析结果表明高岭土和活性碳在1550℃合成制备的复相陶瓷粉末结构性能最优。通过对Al2O3/SiC系统的热力学计算,该系统热力学上最稳定的化合物是Al2O3、SiC。Al2O3/SiC复相陶瓷粉末的反应形成机理是:首先,高岭土加热分解生成Al2O3和SiO2;然后,C与SiO2反应,把氧一步一步还原出来,直至生成SiC。通过对Al2O3/SiC复相陶瓷粉末在热压烧结过程中的分析,探索了Al2O3/SiC复相陶瓷粉末烧结的最佳温度和较好的烧结助剂。结果发现,在1750℃和氧化钇、碳化硼烧结助剂下,得到了结构性能较好的复合材料。
采用现代测试技术,研究了产物的物相组成,微观结构,力学性能。添加剂的加入,改善了材料的结构和性能。在1750℃氩气热压保护所烧结的复合材料具有较高的力学性能,氧化钇的量为5wt%,碳化硼量为5%时,相对密度达97.6%,抗弯强度为384.91MPa。