原位合成纳米晶须陶瓷刀具研究

发布时间：2017-04-26 18:10

  本文关键词：原位合成纳米晶须陶瓷刀具研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现代陶瓷刀具材料具有高的耐热性、耐磨性、和良好的高温性能,在高速切削领域展现出传统刀具无法比拟的优势。但是陶瓷刀具材料断裂韧性低,脆性大。晶须增韧陶瓷刀具材料具有较高的断裂韧度和高温性能。目前晶须增韧陶瓷刀具材料方法主要为外加晶须法,但晶须的制备成本高,并且制备过程会危害环境和人身健康。因此,本文采用了原位合成纳米Ti C晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料,分析了碳热还原过程中TiC晶须生长机理、研究了原位合成Ti C晶须的粉末制备工艺以及材料的烧结工艺、力学性能和显微结构。研究了碳热还原过程中晶须的生长机理,采用了SLLS晶须生长机理,实验结果表明,碳热还原反应合成晶须的过程中,NaCl是传质相,通过粘附作用和自身的蒸发向触媒相Ni输送原材料,维持晶须生长。研究了原位合成晶须增韧陶瓷刀具复相粉末的制备工艺。结果表明,碳热还原TiC晶须最佳生长温度为1350℃,并且二次升温有助于减少游离碳的含量,提高材料的性能。因此最佳的晶须生长工艺为快速升温到1350℃,保温80min,对材料进行研磨后进行二次升温,在1450℃保温30min。优化了烧结工艺,在1600~1700℃温度范围进行了优化,制备了TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料。研究了不同烧结温度和保温时间对材料力学性能、微观组织结构的影响,得出其最佳烧结工艺为:烧结温度1650℃、烧结压力35MPa和保温时间30min,刀具材料的抗弯强度达740MPa,断裂韧度达6.8MPa?m1/2,硬度达20.4GPa。研究了纳米TiC晶须增韧氧化铝陶瓷材料的增韧机制。提出了晶内型纳米晶须新增韧机制。
【关键词】：碳热还原 纳米晶须 增韧 陶瓷
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG711
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 陶瓷刀具材料的发展概括10-12
• 1.1.1 氧化铝（Al2O3）基陶瓷刀具10-11
• 1.1.2 氮化硅（Si3N4）基陶瓷刀具11
• 1.1.3 金属陶瓷刀具11-12
• 1.2 陶瓷刀具材料的特性12
• 1.3 陶瓷刀具材料的增韧方式及机理12-14
• 1.3.1 颗粒增韧12-13
• 1.3.2 纤维晶须补强增韧13
• 1.3.3 相变增韧13
• 1.3.4 自增韧13-14
• 1.3.5 复合增韧14
• 1.4 高弹性模量晶须的研究现状14-17
• 1.4.1 陶瓷晶须研究现状15
• 1.4.2 陶瓷晶须的生长工艺15-16
• 1.4.3 TiC晶须的生长工艺16
• 1.4.4 纳米TiC晶须增韧陶瓷材料16-17
• 1.5 原位合成晶须工艺的研究现状17-18
• 1.5.1 原位合成晶须工艺的优点17-18
• 1.5.2 原位合成晶须工艺需要解决的问题18
• 1.6 本课题研究的目的、意义及主要的研究内容18-20
• 1.6.1 研究的目的和意义18-19
• 1.6.2 本课题的研究内容19-20
• 第二章 晶须生长机理研究20-32
• 2.1 晶须生长机理的基本思想20-22
• 2.1.1 晶须的气液固（VLS）生长机理20-21
• 2.1.2 晶须的气固（VS）机理21-22
• 2.1.3 晶须的液固和固液固生长机理22
• 2.2 晶须生长过程及TiC晶须的VLS生长机理22-24
• 2.2.1 晶须的位错延伸生长22-23
• 2.2.2 晶须的生长过程23
• 2.2.3 TiC晶须的VLS生长机理23-24
• 2.3 碳热还原TiC晶须的SLLS机理研究24-28
• 2.3.1 NaCl在TiC晶须生长过程中的作用研究26-28
• 2.4 影响晶须的生长因素28-30
• 2.4.1 晶须直径对生长速率的影响28-29
• 2.4.2 晶须合成温度和氩气流量对晶须产量的影响29-30
• 2.4.2.1 晶须合成温度对晶须合成的影响29-30
• 2.4.2.2 保护气体流量对晶须合成的影响30
• 2.4.3 影响晶须长径比的因素30
• 2.5 本章小结30-32
• 第三章 原位生长晶须增韧陶瓷材料复相粉末的制备32-46
• 3.1 晶须增韧陶瓷材料的设计原则32-34
• 3.1.1 物理相容性32-33
• 3.1.1.1 晶须与基体弹性模量上的匹配32
• 3.1.1.2 晶须与基体在热膨胀系数上的匹配32-33
• 3.1.2 化学相容性33
• 3.1.3 纳米TiC晶须生长工艺的选择33-34
• 3.2 原材料及复相粉末配比的选择34-39
• 3.2.1 基体材料的选取34
• 3.2.2 晶须制备原材料的选择34-35
• 3.2.3 纳米TiC晶须在氧化铝基体中的含量35-36
• 3.2.4 碳含量、催化剂和卤化剂含量的选择36-39
• 3.2.4.1 碳含量对材料的影响及碳含量的选择36-37
• 3.2.4.2 催化剂和卤化剂含量的确定37-38
• 3.2.4.3 原材料配比的确定38-39
• 3.3 原位合成纳米TiC晶须的实验方案39-44
• 3.3.1 粉末的制备过程39-40
• 3.3.2 纳米TiC晶须的合成40-41
• 3.3.3 原位合成晶须工艺参数研究41-44
• 3.3.3.1 晶须合成工艺选择41-42
• 3.3.3.2 晶须生长温度选择42-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 制备陶瓷刀具材料及力学性能46-62
• 4.1 陶瓷刀具材料烧结方法46-47
• 4.1.1 烧结温度的选择46
• 4.1.2 烧结压力的确定46-47
• 4.2 陶瓷材料的制备过程47-49
• 4.2.1 材料的制备工艺47-48
• 4.2.2 材料的烧结特性48-49
• 4.2.2.1 烧结温度与压力48
• 4.2.2.2 烧结压力与位移48-49
• 4.3 材料的性能测试49-52
• 4.3.1 抗弯强度49-50
• 4.3.2 维氏硬度50-51
• 4.3.3 断裂韧度51-52
• 4.4 碳热还原合成晶须增韧刀具材料组分研究52-54
• 4.4.1 纳米碳化钛晶须含量对材料性能的影响52-54
• 4.5 碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的工艺参数研究54-57
• 4.5.1 烧结温度对陶瓷刀具材料力学性能的影响54-55
• 4.5.2 保温时间对陶瓷刀具材料力学性能的影响55-56
• 4.5.3 材料的微观组织分析56-57
• 4.6 晶须增韧机理57-60
• 4.6.1 影响晶须增韧因素58-59
• 4.6.2 其他增韧方式59-60
• 4.7 本章小结60-62
• 第五章 结论与展望62-64
• 参考文献64-68
• 致谢68

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