添加石墨烯自组装包覆氮化硅复合粉体的刀具研制及应用
发布时间：2020-08-25 18:30
【摘要】：Al_2O_3复合陶瓷具有较高的硬度、较强的抗磨性能和耐腐蚀性能以及较好的高温稳定性能等特性,被广泛应用于陶瓷刀具材料的研发。但是其高脆性这一弱点大大地缩小了其应用范围,因此解决Al_2O_3陶瓷材料断裂韧性低这一问题成为该陶瓷材料研究的重点。已有研究表明石墨烯的添加可明显改善陶瓷材料的断裂韧性。本文针对石墨烯在Al_2O_3陶瓷材料中团聚、热压烧结后在基体材料中呈固定取向、与基体材料结合不紧密等问题,提出通过颗粒表面改性和静电自组装技术相结合制备氧化石墨烯(GO)包覆Si_3N_4复合粉体(Si_3N_4@GO)。通过热压烧结,向基体中加入不同配比的Si_3N_4@GO粉体,成功制备了力学性能较好的Al_2O_3/(Si_3N_4@GO)(ASG)复合陶瓷刀具材料和Al_2O_3/WB_2/(Si_3N_4@GO)(AWSG)复合陶瓷刀具材料。对刀具材料进行了力学性能测试和微观结构观察,并采用Al_2O_3/WB_2/(Si_3N_4@GO)复合陶瓷刀具进行了切削实验。结果表明:对于Al_2O_3/(Si_3N_4@GO)刀具材料,得出GO添加量为1vol%时,ASG性能最优:硬度18.6GPa、断裂韧性7.6MPa·m~(1/2)、抗弯强度626MPa。对于Al_2O_3/WB_2/(Si_3N_4@GO)刀具材料,GO添加量为0.5vol%时力学性能最优:硬度18.7GPa、断裂韧性8.2MPa·m~(1/2)、抗弯强度740MPa。观察材料断口处的显微结构发现还原氧化石墨烯均匀分散在Al_2O_3/WB_2基体内,同时与基体结合紧密,并在基体材料中无固定取向的趋势。在不同的切削速度、进给速度和背吃刀量的条件下进行刀具切削性能试验和工件表面粗糙度的研究。AWSG刀具切削试验结果得出:当切削速度为200m/min、背吃刀量为0.1mm和进给量为0.102mm/r时AWSG刀具切削性能最好,最大切削距离为4800m,工件表面粗糙度值保持在相对较低的水平。研究了刀具的磨损机理,AWSG刀具后刀面磨损形式主要为磨粒磨损。
【学位授予单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG711
【图文】：
石墨烯及其复合材料的研究.1 石墨烯的研究石墨烯是由单层碳原子堆垛而成的具有二维蜂窝状结构的二维碳质材料前发现的最薄二维材料[19,20]；表面积和透光率分别高达 2600m2·g-1[7%[22]；热导率为 5300W·m-1·K-1是金刚石的 3 倍[23]；强度是钢的 100 多倍温下 载流 子迁移率 15000cm2·V-1·s-1，在特殊条件下迁移率甚至000cm2·V-1·s-1[25]。此外，还具有室温量子霍尔效应、量子隧穿效应[26]和性[27]等特殊优异性能。由于独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯应用于许多先进材料和器件膜材料[28-29]、储能材料[30]、液晶材料[31]、机械谐振器[32]等，但是关于石在先进复合陶瓷材料方面的研究报导很少。由于石墨烯是单层石墨，原价格便宜，高硬度，高弹性模量等有望成为复合陶瓷基材料的优质填料结构示意图如图 1.1 所示。
12(b)APTES 对 Si3N4表面改性 (c) GO 对 Si3N4包覆图 2.1 Si3N4@GO 的制备原理图对于包覆粉体的表征实验采用 IRPrestige-2 型 Fourier 红外光谱仪对粉体的表结构和成分进行分析测定；用 HORIBA/SZ100 型高分辨 Zeta 电位仪对改性后 APS-Si3N4和 GO 在不同 pH 值下的电位进行分析；热失重分析仪 WRT-3p 用粉体的热失重检测；采用 SUPRATM55 型场发射扫描电子显微镜和 JEOL-2010透射电子显微镜观察复合粉体形貌，并用其配备的牛津 X-射线电制冷能谱仪S 进行元素分析。
Si3N4粉体的表面氧化分析重分析别将原始的Si3N4粉体和表面经H2O2处理的Si3N4粉体置，然后将粉体置于热重分析仪中，通过热重分析仪对样行分析，如图2.2所示，温度在0℃~800℃时，随着温度的粉体H2O2-Si3N4质量损失率随之增加。当温度达到600℃时-Si3N4的质量趋于平稳。对于图2.2(a)所示的Si3N4粉体的热高，Si3N4质量基本保持不变，当温度达到600℃时失重率颗粒上的胺类在空气中极不稳定[60]，而且微粒尺寸小，在高温作用下，表面原子在空气中被氧化，形成具有一[61]。对于图2.2(b)所示，在250℃以下，H2O2-Si3N4粉体出体表面的吸附水加热分解引起。质量损失率在350℃~550羟基（-OH）、羧基（-COOH）等含氧基团分解引起的氧化处理，使得氮化硅颗粒表面的含氧基团的增多，利
本文编号：2804045
【学位授予单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG711
【图文】：
石墨烯及其复合材料的研究.1 石墨烯的研究石墨烯是由单层碳原子堆垛而成的具有二维蜂窝状结构的二维碳质材料前发现的最薄二维材料[19,20]；表面积和透光率分别高达 2600m2·g-1[7%[22]；热导率为 5300W·m-1·K-1是金刚石的 3 倍[23]；强度是钢的 100 多倍温下 载流 子迁移率 15000cm2·V-1·s-1，在特殊条件下迁移率甚至000cm2·V-1·s-1[25]。此外，还具有室温量子霍尔效应、量子隧穿效应[26]和性[27]等特殊优异性能。由于独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯应用于许多先进材料和器件膜材料[28-29]、储能材料[30]、液晶材料[31]、机械谐振器[32]等，但是关于石在先进复合陶瓷材料方面的研究报导很少。由于石墨烯是单层石墨，原价格便宜，高硬度，高弹性模量等有望成为复合陶瓷基材料的优质填料结构示意图如图 1.1 所示。
12(b)APTES 对 Si3N4表面改性 (c) GO 对 Si3N4包覆图 2.1 Si3N4@GO 的制备原理图对于包覆粉体的表征实验采用 IRPrestige-2 型 Fourier 红外光谱仪对粉体的表结构和成分进行分析测定；用 HORIBA/SZ100 型高分辨 Zeta 电位仪对改性后 APS-Si3N4和 GO 在不同 pH 值下的电位进行分析；热失重分析仪 WRT-3p 用粉体的热失重检测；采用 SUPRATM55 型场发射扫描电子显微镜和 JEOL-2010透射电子显微镜观察复合粉体形貌，并用其配备的牛津 X-射线电制冷能谱仪S 进行元素分析。
Si3N4粉体的表面氧化分析重分析别将原始的Si3N4粉体和表面经H2O2处理的Si3N4粉体置，然后将粉体置于热重分析仪中，通过热重分析仪对样行分析，如图2.2所示，温度在0℃~800℃时，随着温度的粉体H2O2-Si3N4质量损失率随之增加。当温度达到600℃时-Si3N4的质量趋于平稳。对于图2.2(a)所示的Si3N4粉体的热高，Si3N4质量基本保持不变，当温度达到600℃时失重率颗粒上的胺类在空气中极不稳定[60]，而且微粒尺寸小，在高温作用下，表面原子在空气中被氧化，形成具有一[61]。对于图2.2(b)所示，在250℃以下，H2O2-Si3N4粉体出体表面的吸附水加热分解引起。质量损失率在350℃~550羟基（-OH）、羧基（-COOH）等含氧基团分解引起的氧化处理，使得氮化硅颗粒表面的含氧基团的增多，利
【参考文献】
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本文编号：2804045
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