基于晶须原位生长的ZTA陶瓷连接工艺及机理研究

发布时间：2017-08-12 20:27

  本文关键词：基于晶须原位生长的ZTA陶瓷连接工艺及机理研究

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【摘要】：ZTA陶瓷是一种利用Zr O2增韧Al2O3的复相陶瓷,具有高熔点、高硬度、耐酸碱腐蚀以及较好的韧性,成为高温结构陶瓷中应用广泛的材料之一。实际应用中,由于陶瓷材料加工性差,复杂构件需要将简单构件进行连接,采用金属钎料钎焊陶瓷会出现几个突出问题:接头中存在较大残余应力,耐高温、耐腐蚀性能差等。本课题提出一种基于晶须原位生长连接ZTA陶瓷的新方法,由于晶须具有与陶瓷接近的热膨胀系数,且晶须从ZTA陶瓷表面外延生长,与陶瓷具有良好的结合,降低接头中的残余应力。利用扫描电镜及能谱分析,X射线衍射,透射电镜对ZTA陶瓷表面原位生长晶须形貌和连接接头的界面组织进行分析,研究了工艺参数对接头力学性能的影响规律。采用B2O3、B2O3+Cu O、B2O3+K2SO4、B2O3+Mn O2、B2O3+Zn O五种非金属粉末均可以在ZTA陶瓷表面生长形貌不同的晶须。单纯利用B2O3在ZTA陶瓷表面生长晶须的均匀性较差,且会有B2O3残留。利用B2O3+Cu O生长晶须的长径比较短;利用B2O3+K2SO4生长晶须的分布均匀性变好,但晶须生长方向与ZTA陶瓷母材夹角较小;利用B2O3+Mn O2和B2O3+Zn O生长晶须的结晶度好,且分布均匀,生长密度大,晶须直径为500nm~2μm,长度达到20~30μm,晶须生长方向与陶瓷表面倾角大。基于晶须生长的研究结果,采用B2O3,B2O3+Mn O2,B2O3+Zn O粉末中间层通过原位生长Al4B2O9和Al18B4O33晶须实现了ZTA陶瓷的自身连接。单独使用B2O3进行连接时,接头中晶须所占的体积分数小于50%,接头在最优工艺参数下的抗弯强度为78MPa。采用B2O3+Mn O2和B2O3+Zn O粉末中间层时,接头的界面有了明显改善,接头中晶须所占的体积分数约达到80%,但是接头中会存在部分孔洞区域,接头在最优工艺参数下的抗弯强度分别为168MPa和163MPa。接头经过高温热循环后,强度下降明显,当热循环温度为1200℃时,接头强度不足50MPa。采用晶须生长复合玻璃中间层在高温下可以实现ZTA陶瓷的连接。通过ABS微晶玻璃的析晶行为,在连接过程中会在接头中形成一种晶须复合玻璃相的接头。在1400℃保温lh得到的接头由Al2Si O5玻璃相和Al18B4O33晶须组成的致密组织。接头经过1200℃高温热循环后强度为95MPa,接头具有良好的高温使用性能。
【关键词】：ZTA陶瓷 硼酸铝晶须 原位生长 ABS微晶玻璃 高温性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG49
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题背景及研究意义10
• 1.2 ZTA陶瓷的研究现状及分析10-13
• 1.3 Al_2O_3陶瓷的连接13-17
• 1.3.1 Al_2O_3陶瓷的钎焊连接13-15
• 1.3.2 Al_2O_3陶瓷的扩散连接15-16
• 1.3.3 Al_2O_3陶瓷的其他连接方法16-17
• 1.4 ZrO_2陶瓷的连接17-19
• 1.5 晶须的研究现状19-22
• 1.5.1 晶须简介19
• 1.5.2 硼酸铝晶须的制备方法19-21
• 1.5.3 硼酸铝晶须的应用21-22
• 1.6 本课题的研究内容22-24
• 第2章 试验材料、设备及方法24-29
• 2.1 试验材料24-25
• 2.2 试验设备25-26
• 2.2.1 晶须生长及连接设备25
• 2.2.2 玻璃中间层制备设备25-26
• 2.3 试验过程26-27
• 2.4 微观组织分析及力学性能测试27-29
• 2.4.1 扫描电镜(SEM)分析27
• 2.4.2 X射线衍射(XRD)分析27
• 2.4.3 透射电镜(TEM)分析27
• 2.4.4 接头力学性能测试27-29
• 第3章ZTA陶瓷表面原位生长晶须及表征29-45
• 3.1 引言29
• 3.2 以B_2O_3为原料在ZTA陶瓷表面原位生长晶须29-33
• 3.2.1 保温时间对ZTA陶瓷表面原位生长晶须的影响30-32
• 3.2.2 生长温度对ZTA陶瓷表面原位生长晶须的影响32-33
• 3.3 添加助熔剂对ZTA陶瓷表面原位生长晶须的影响33-38
• 3.3.1 CuO作为助熔剂33-34
• 3.3.2 K_2SO_4作为助熔剂34-36
• 3.3.3 MnO_2作为助熔剂36-37
• 3.3.4 ZnO作为助熔剂37-38
• 3.4 晶须的表征38-41
• 3.4.1 XRD结果分析38-39
• 3.4.2 TEM结果分析39-41
• 3.5 ZTA陶瓷表面原位生长晶须机理分析41-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第4章 原位生长硼酸铝晶须连接ZTA陶瓷45-58
• 4.1 引言45
• 4.2 B_2O_3为中间层连接ZTA陶瓷45-48
• 4.2.1 工艺参数对接头组织的影响45-47
• 4.2.2 工艺参数对接头力学性能的影响47-48
• 4.3 B_2O_3+助熔剂为中间层连接ZTA陶瓷48-54
• 4.3.1 工艺参数对接头组织的影响48-52
• 4.3.2 工艺参数对接头力学性能的影响52-54
• 4.3.2 高温热循环对接头力学性能的影响54
• 4.4 接头断口及断裂模式分析54-55
• 4.5 原位生长硼酸铝晶须连接ZTA陶瓷机理分析55-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第5章 晶须增强玻璃相连接ZTA陶瓷58-68
• 5.1 引言58
• 5.2 ABS微晶玻璃中间层的制备及表征58-60
• 5.3 利用ABS微晶玻璃中间层连接ZTA陶瓷典型界面分析60-62
• 5.4 高温热循环对接头力学性能的影响62-63
• 5.5 接头断口及断裂模式分析63-64
• 5.6 ABS微晶玻璃中间层连接ZTA陶瓷接头界面形成机理64-66
• 5.7 本章小结66-68
• 结论68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果73-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 王义峰;曹健;宋晓国;郑祖金;冯吉才;;置氢TC4钛合金与Al_2O_3陶瓷扩散连接工艺研究[J];稀有金属材料与工程;2013年03期

2 王义峰;曹健;冯吉才;;陶瓷与金属的连接方法与研究进展[J];航空制造技术;2012年21期

3 赵运才,肖汉宁,何芳魁;玻璃陶瓷材料发展的回顾与展望[J];中国陶瓷;2001年03期

4 高翔,丘泰,焦宝祥,沈春英;ZrO_2—Al_2O_3复相陶瓷的研究[J];中国陶瓷;2004年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘史敏;Al_2O_3-B_2O_3-SiO_2系统光功能玻璃制备、结构及性能研究[D];浙江大学;2009年

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本文编号：663494