原位生长柱状晶与畴切换复合增韧氧化铝陶瓷微波烧结行为及机理研究

本项目利用Nb2O5、La2O3诱导A1203晶粒形成长柱状以及原位反应形成LaNbO4，探讨微波烧结制备原位生长柱状晶与LaNbO4畴结构复合增韧A1203陶瓷的工艺控制原理和方法，通过微波烧结效果与常规加热烧结效果的对比，探讨微波烧结条件下A1203基复合陶瓷材料晶粒长大动力学性质，研究其柱状晶生长机理，建立柱状晶生长模型。从材料制备、组织结构、力学性能以及第二相与基体的界面行为、应力特征等方面探讨柱状晶与LaNbO4畴结构切换复合增韧A1203基复合陶瓷的微观机理以及多种机制改性的效果和机制，建立柱状晶与畴切换协同改性A1203陶瓷的裂纹扩展模型；简化材料的制备工艺和条件，探索一种新的低成本高韧性A1203基复合陶瓷的制备方法。本项目的研究对复合技术与制备工艺的结合以及多种增韧机制协同作用改性A1203陶瓷具有一定的参考价值，为有关陶瓷材料的改性提供基础数据和理论依据。

Al2O3陶瓷断裂韧性很低，影响其作为陶瓷零部件的可靠性和安全性，提高其韧性成为该材料研究的核心问题。. 本项目通过添加La2O3、Nb2O5，微波烧结制备Al2O3基复合陶瓷，探讨制备原位生长柱状晶与LaNbO4畴切换复合增韧Al2O3陶瓷的工艺控制原理和方法，分析烧结行为及主要控制因素；研究成分配比及烧结工艺对柱状晶生长规律的影响，阐明其生长机理；通过力学性能与显微结构及断裂特征关系，分析裂纹扩展特征，阐明柱状晶与LaNbO4畴切换复合增韧Al2O3基陶瓷的微观机理。. 结果表明：Nb2O5/La2O3复相添加比单相添加更能提高Al2O3基陶瓷的综合力学性能。与常规烧结相比，微波烧结大幅缩短烧结时间，显著降低烧结温度，降低柱状晶形成温度，提高致密度；微波烧结制备的7.5La2O3/5Nb2O5/87.5Al2O3陶瓷(1500℃，60min)综合性能较优，相对密度99.4%，显微硬度12.3GPa，断裂韧性6.49MPa•m1/2，抗弯强度356.4Mpa。7.5La2O3/10Nb2O582.5Al2O3陶瓷微波烧结过程中生成LaNbO4起液相添加剂作用，与剩余Nb2O5共同诱导Al2O3柱状晶生长，1475℃可致密化，综合性能与7.5La2O3/5Nb2O5/87.5Al2O3相当。Nb2O5-La2O3-Al2O3系列陶瓷中，Nb2O5含量低于La2O3时，La2O3和Nb2O5优先生成LaNbO4，剩余La2O3与Al2O3原位反应择优形核及异向长大形成柱状晶LaAl11O18；Nb2O5含量与La2O3相等时，复合陶瓷主要由等轴状Al2O3和LaNbO4组成，LaNbO4可提高复合陶瓷致密度；当Nb2O5含量高于La2O3时，La2O3和Nb2O5优生成LaNbO4后，剩余Nb2O5与LaNbO4共同诱导Al2O3择优生成柱状晶，其生长速率主要受界面反应控制。La2O3-Nb2O5-Al2O3系列陶瓷存在多种增韧机制，柱状晶引起的裂纹桥联、偏转、分叉与原位反应生成具有畴结构的LaNbO4协同增韧，且大于单一相添加的增韧效果；与纯Al2O3陶瓷沿晶断口相比，复合陶瓷断口起伏较大，断裂特征为沿晶与穿晶混合。 . 本项目研究对复合技术与制备工艺的结合及多种增韧机制协同作用改性A12O3陶瓷具有一定参考价值和科学意义。