晶粒细化对Al2O3／ZrB2／ZrO2复合陶瓷材料力学性能的影响

铝合金的晶粒细化与力学性能关系分析铝合金是一种常见的金属材料，具有轻质、高强度和良好的可塑性等特点，在广泛的应用领域中发挥着重要作用。

晶粒细化是改善铝合金力学性能的重要途径之一，本文将分析铝合金的晶粒细化与力学性能之间的关系。

一、晶粒细化的定义与影响因素晶粒细化是指金属材料中晶粒尺寸的减小，常用的指标是晶粒尺寸的平均值或分布范围。

晶粒细化对铝合金的力学性能有着重要的影响，主要体现在以下几个方面：1. 提高材料的强度和硬度：晶粒细化可以增加晶界的数量和长度，有效阻碍位错的运动，从而提高材料的强度和硬度。

2. 提高材料的塑性和韧性：适当的晶粒细化可以增加材料的位错密度，提高材料的塑性和韧性，降低脆性。

3. 提高材料的疲劳寿命：晶粒细化可以减小应力集中程度，增加材料的疲劳寿命。

二、晶粒细化方法与机制实现铝合金的晶粒细化可以采用多种方法，其中常用的方法包括：1. 热变形与热处理：通过热机械处理，如等温压下变形处理、等温回火处理等，可以实现晶粒细化。

变形过程中的晶界滑移和再结晶过程是晶粒细化的主要机制。

2. 添加细化剂：向铝合金中添加细化剂，如颗粒、纤维等，可以增加晶核数量，促使晶粒细化。

3. 机械制备：采用机械球磨、挤压等方法可以实现铝合金的晶粒细化，机械变形和碎裂是晶粒细化的主要机制。

三、晶粒细化与力学性能关系的实验研究大量的实验研究表明，晶粒细化可以显著改善铝合金的力学性能。

以下为几个常见的实验结果：1. 强度和硬度提高：晶粒细化后，铝合金的屈服强度、抗拉强度和硬度均有所提高。

2. 塑性和韧性改善：适当的晶粒细化可以增加铝合金的塑性应变和断裂韧性，降低脆性破坏特性。

3. 疲劳寿命延长：晶粒细化可以提高铝合金的疲劳寿命，延缓疲劳裂纹的扩展速度。

四、晶粒细化与力学性能关系的理论解释对于晶粒细化与力学性能关系的理论解释，主要有以下几种观点：1. 晶界滑移阻碍理论：晶粒细化可以增加晶界的数量和长度，有效限制晶界滑移，从而提高强度和硬度。

纳米颗粒增强陶瓷复合材料的力学性能研究纳米材料的出现和应用给材料科学领域带来了巨大的革命，尤其是在复合材料方面。

其中，纳米颗粒增强陶瓷复合材料因其独特的力学性能备受关注。

本文将探讨纳米颗粒对陶瓷复合材料力学性能的增强作用，并分析其机理。

1. 纳米颗粒强化效应纳米颗粒作为增强材料能够显著提高陶瓷复合材料的强度和硬度。

这是由于纳米颗粒尺寸较小，具有更高的比表面积和较大的界面能，能够有效阻拦晶界滑移以及裂纹扩展，增强材料的断裂韧性。

另外，纳米颗粒还能够改变陶瓷复合材料的晶体结构，使其具备更好的导电性和光学性能。

2. 纳米颗粒增强机制纳米颗粒增强陶瓷复合材料的机制主要可以从界面相容性、晶体结构和微观应力场几个方面解释。

首先，纳米颗粒与陶瓷基体之间的界面能够增加复合材料的界面相容性，使得陶瓷基体更好地吸附纳米颗粒，从而增强界面的结合强度。

其次，纳米颗粒的晶粒尺寸比陶瓷基体小得多，这种尺寸差异将在晶界上产生一定的应力场，限制晶界滑移和晶体的扩散。

最后，纳米颗粒与陶瓷基体的相互作用还可以通过增强材料的界面钳制效应，使得裂纹扩展受到限制。

3. 纳米颗粒增强陶瓷复合材料的应用纳米颗粒增强陶瓷复合材料已经被广泛应用于多个领域。

其中最具代表性的是陶瓷基复合材料，如碳化硅增强陶瓷复合材料、氧化铝增强陶瓷复合材料等。

这些复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域中发挥了重要作用。

此外，纳米颗粒增强陶瓷复合材料还可用于涂层材料、生物医学器械等方面。

4. 纳米颗粒与陶瓷基体的相互作用纳米颗粒与陶瓷基体之间的相互作用对于纳米颗粒增强陶瓷复合材料的力学性能至关重要。

研究发现，纳米颗粒的分散均匀性、界面结合强度以及晶粒尺寸等因素都会影响纳米颗粒增强效果。

因此，如何控制纳米颗粒在陶瓷基体中的分布以及界面的结合强度成为了研究的重点。

目前，研究者们通过改变纳米颗粒的形状、大小、表面修饰等手段来实现对其分散以及与陶瓷基体之间的相互作用的调控。

Al2O3陶瓷材料中添加不同量ZrO2的力学性能影响目的：分析在Al2O3陶瓷材料中添加不同量的ZrO2后，陶瓷的力学性能变化以及耐磨损的效果，从而得到最优的Al2O3陶瓷材料中ZrO2添加量。

方法：运用热压烧结法制备Al2O3陶瓷，第一组采用99.6vol% Al2O3（ＡＤ９９５）、第二组采用Al2O3中添加１５ｖｏｌ％的ZrO2，第三组采用Al2O3中添加25ｖｏｌ％的ZrO2。

针对符合材料细观力学理论，并充分考虑到ZrO2的相变特性，建立起了两者之间的力学结构模型。

结果：在氧化铝材料中添加了细化氧化锆晶体后，陶瓷材料的致密性有了明显提升，三组实验中所制得的陶瓷材料中的力学性能图线呈现应力-应变曲线类线性关系。

第一组陶瓷的断裂韧性为5.38MPa·m0.5,第二组陶瓷材料的断裂韧性为8.37 MPa·m0.5，较上一组实验的断裂韧性提升了大约50%；第三组实验所制得的陶瓷材料的断裂韧性为10.53 MPa·m0.5。

结论：进而说明，伴随着ZrO2增加量的提升。

陶瓷的弹性模量降低而断裂韧性增加，这一变化趋势与实验结果有良好的一致性。

未增加ZrO2材料层的磨损形式主要是磨粒磨损，而两组增加了加ZrO2材料层的磨损形式主要是黏着磨损。

1 引言陶瓷材料是人类应用最早的材料之一。

它是一种天然或人工合成的粉状化合物，经过成形或高温烧结，由金属元素和非金属的无机化合物构成的多相固体材料川。

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高强度、高硬度、抗氧化等诸多优点，近年来逐渐从传统应用行业扩展到航空航天、生物医疗、汽车、建筑等更为广阔的应用领域。

但氧化铝陶瓷材料由于本质上是一种脆性材料，由于自身结构和键性的原因，滑移系统少，位错产生和运动困难，导致韧性较低，也严重限制了其应用和发展。

ＺｒＯ２增韧Ａｌ２Ｏ３陶瓷是最早开发的Ａｌ２Ｏ３陶瓷基复合材料。

ＺｒＯ２自身马氏体转变引起的裂纹韧化和残余应力韧化可使其韧性得到显著提高，这也是对Ａｌ２Ｏ３陶瓷增韧使用最多且效果最好的增韧方法之一［２－３］。

添加ZrO2对Al2O—SiC系复相陶瓷力学性能的影响徐利华;沈志坚;等【期刊名称】《佛山陶瓷》【年(卷),期】1993(000)001【摘要】通过ZrO2强化增韧Al2O3-SiC系陶瓷，其复合材料的力学性能在一定程度上获得改善。

ZrO2外加含量在0－40wt%范围内，复相陶瓷的断裂韧性保持上升，而其硬度则呈下降的趋势。

少量添加ZrO2(≤10wt%)时，其强度得到提高，当ZrO2含量为10wt%左右，强度达到最大值；超过该含量后强度迅速下降。

研究结果表明，复相陶瓷力学性能与瓷体中的二相粒子的相变增韧和热应力共配有关。

X射线衍射分析研究表明，随着ZrO2含量增加，材料断口相变量增大，断裂韧性也相应提高，确是ZAS（ZrO2增韧Al2O3-SiC)复相材料中ZrO2(t)→ZrO(m)相变增韧起主要作用。

当ZrO2添加含量增加时，二相粒子与基体热膨胀系数不匹配，而在复合材料中产生内应力导致瓷体强度降低，研究还表明10wt%ZrO2增韧Al2O3-SiC陶瓷是一种较佳的高温耐磨材料。

【总页数】4页(P16-19)【作者】徐利华;沈志坚;等【作者单位】浙江大学材料科学与工程系无机材料研究所310027;浙江大学材料科学与工程学系【正文语种】中文【中图分类】TQ174.758【相关文献】1.纤维表面涂层对SiC(f)/SiC复相陶瓷力学性能和界面结构的影响 [J], 施鹰;杨文2.ZrO2—Al2O3—SiC系复相陶瓷材料的冲蚀磨损 [J], 徐利华;方中华3.氧化钇添加剂对SiC(w)/ZrSiO_4复相陶瓷制备和力学性能的影响 [J], 施鹰;黄校先;严东生4.添加Y_2O_3的ZrO2-Al_2O_3复相陶瓷力学性能 [J], 丘泰;王玉春;沈春英5.ZrO2含量对Al2O3／ZrO2复相陶瓷微观结构和力学性能的影响 [J], 白周喜;高如琴;周宁生;石凯;全建军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第三章试验结果与讨论3.1ZrO2增强增韧Al2O3陶瓷Al2O3是性能优良的氧化物陶瓷，因其硬度高，介电性能好，耐化学腐蚀、耐高温、价廉而被广泛使用。

但其强度及韧性不高，使其应用受到一定限制。

在Al2O3中引入ZrO2颗粒利用其相变增韧以及对Al2O3晶粒生长的抑制作用，可以改善氧化铝陶瓷的力学性能。

过去的研究通常是在Al2O3基体中引入微米级或亚微米级的ZrO2颗粒，使得Al2O3基复相陶瓷性能有了较大改善。

80年代末，纳米技术的发展给制备陶瓷带来了全新的概念，尤其是纳米复相陶瓷技术有了长足的进步。

但大部分的研究结果表明，纳米复相陶瓷大幅度提高了陶瓷的强度，而韧性未有较大改善。

分析微米级陶瓷材料制成的复相陶瓷中主要存在的问题是ZrO2晶粒尺寸易于超过临界尺寸，大大降低增强增韧的效果。

而纳米复相陶瓷主要是利用微裂纹、裂纹偏转、裂纹弯曲等增韧机理，制备高温下具有良好的力学性能的材料。

利用传统ZrO2增强增韧原理，结合纳米复相陶瓷技术为进一步提高Al2O3基复相陶瓷的性能提供了新的技术支撑。

因此以纳米ZrO2、微米Al2O3为原料制备ZTA复相陶瓷是值得重视的研究方向。

要获得性能优良的ZTA复相陶瓷的关键是一方面得到致密化程度高的细晶结构，另一方面在室温下烧结体内能存在尽可能多的亚稳态四方氧化锆，这样才有可能大幅度地提高材料的力学性能。

为了获得满足以上条件的ZTA复相陶瓷材料，在组成、显微结构和工艺措施上从以下几个方面对材料进行了研究：原料的选择、原料的超细化处理、烧成制度以及nano－ZrO2颗粒的添加量。

3.1.1原料的选取及处理（a）ZrO2原料的选取在本论文的研究过程中，先对三种不同的氧化锆原料就其烧结性能和力学性能进行了对比，其中南玻氧化锆一次粒径为30～50nm，九江氧化锆一次粒径为60～100nm。

试验中采用尼龙罐以及玛瑙球介质在行星球磨机上对原料进行了超细化处理，料球比为1：3：0.7，球磨4h后烘干并干压成型，在1600℃，保温2个小时的条件下得到烧结体。