冰模板—浸渗法制备Al基Al_2O_3-ZrO_2层状复合材料的结构与性能
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冰模板—浸渗法制备Al 基/Al_2O_3-ZrO_2 层状复合材料的结构
与性能
自然界材料的自组装技术为设计和制备先进结构材料提供了思路。
在诸多生物材料中, 贝壳较高强韧性及优异耐磨性吸引了众多学者的注意。
其优异性能源于软硬相交替排列的纳米级“砖- 泥”( brick-and-mortar )结构。
基于这一结构的启发, 采用冰模板结合浸渗技术制备仿贝壳结构材料引起了学术界的广泛关注。
虽然这一技术为仿生层状复合材料的制备提供了新的指导, 但文献对影响层状金属-陶瓷复合材料性能的许多关键因素并没有系统研究,如片层的结构, 陶瓷片层的致密度以及金属和陶瓷之间的界面反应等。
此外, 目前对材料性能的研究也仅限于少量的常温力学性能, 而很少涉及材料的高温以及摩擦磨损性能。
所以仿贝壳结构层状Al 基复合材料中涉及的片层结构, 界面反应对复合材料性能影响规律及作用机制还需要进一步探索与揭示。
在诸多陶瓷
中,Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 复相陶瓷由于具有高强度, 高韧性以及优异的耐磨性等优点被广泛应用。
然而, 目前采用冰模板结合浸渗技术制备层状Al 基
/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 复合材料的研究很少, 更没有人就二者的组分进行系统研究。
显然, 最佳的陶瓷组分是获得材料优异性能的关
键。
因此, 本文选用冰模板法制备不同陶瓷含量以及不同
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:ZrO<sub>2</sub> 层状多孔
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 陶瓷坯体, 优化出最佳坯体制
备工艺参数。
随后将Al-12Si-10Mg 合金作为无压浸渗基体合金,ZL107 合金和纯
Al 作为压力浸渗基体合金, 采用两种浸渗技术将上述合金浸渗到该多孔骨架中制备了仿贝壳结构层状Al 合金/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 复合材料。
通过调整陶瓷成分, 含量,坯体结构以控制陶瓷和金属之间的界面反应获得了优异的室温和高温力学性能以及耐摩擦磨损性能, 建立了材料成分-结构-性能-机制之间的关系。
本文获得的主要研究结果如下: （1）明确了浆料粘度, 坯体孔隙率, 陶瓷片层厚度以及坯体压缩强度对陶瓷成分和固相含量的依赖性, 优化出最佳陶瓷组
分（Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:ZrO<sub>2</sub>（28）3:7 ）和含量（30 vol.% ）。
随着氧化铝相对含量的升高, 浆料粘度逐渐降低; 而坯体孔隙率和陶瓷片层厚度呈现先增大后减小的趋势, 在Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:ZrO<sub>2</sub> （28）5:5 时出现最大值。
受t-ZrO<sub>2</sub>到m-ZrO<sub>2</sub>相变增强和坯体致密度综合作用的影响, 同一温度烧结后坯体的压缩强度大致按
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:ZrO<sub>2</sub> （28）3:7,1:9,9:1,5:5,7:3 顺序降低。
较高的陶瓷含量导致坯体层状结构不明显,内部产生裂纹从而影响性能, 优化出最佳陶瓷固相含量为30 vol.% 。
高温烧结降低了坯体中t-ZrO<sub>2</sub> 的相对含量, 从而削弱了坯体的压缩性能, 因而较佳的坯体烧结温度为1450
<sup>o</sup>C。
2）采用冰模板结合无压浸渗技术制备了仿贝壳结构
Al-12Si-10Mg/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 复合材料, 并揭示了陶瓷组分和含量以及坯体烧结温度对界面反应和复合材料性能的影响规律。
研究发现复合材料很好地遗传了坯体的层状结构, 在浸渗过程中,Al-12Si-10Mg 合金和
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 多孔陶瓷之间发生了多种化学反应, 主要产物相为ZrSi<sub>2</sub>, （Al,Zr,Si ）和Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>。
随着氧化铝含量的增加, 受坯体致密度以及坯体内氧化锆含量的综合作用, 反应产物相呈现先升高后降低的趋势, 而随着坯体烧结温度和陶瓷含量升高,界面反应程度降低。
复合材料的压缩强度极大依赖于
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:ZrO<sub>2</sub>, 而受坯体烧结温度的影响较小。
总体上,受片层结构、界面反应程度以及大量残余的Zr 0<sub>2v/sub#受
载时相变增强增韧的影响,复合材料的压缩性能随坯体中ZrO<sub>2</sub>含量的增加而升高, 而弯曲强度呈现先降低后升高的趋势。
弯曲强度在
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:ZrO<sub>2</sub> （28）5:5 时达到最小值。
（3）利用冰模板结合压力浸渗技术制备了层状
ZL107/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 复合材料, 通过调控后续热处理时间获得了优异的室温和高温压缩强度。
在850 <sup>o</sup>C 保温60 min 时, 复合材料在20,150 和300 <sup>o</sup>C 测试时最高压缩强度比基体合金分别提高了2,5 和12倍。
适当的界面反应产物相
(Al<sub>m</sub>,Si<sub>1-m</sub>)<sub>3</sub>Zr 和ZrSi<sub>2</sub> 可以改善界面结合并作为内生增强相提高复合材料压缩性能, 过多且粗大的反应产物则易割裂合金片层造成应力集中从而削弱了复合材料的性能。
（4）揭示了陶瓷组分、砂纸粒度以及不同片层取向对层状结构
ZL107/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 复合材料干磨粒磨损性
能的影响规律并提出了层状复合材料优异耐磨性机制:1）随着
Alvsub>2v/sub>O<sub>3v/sub>含量和SiC磨料粒度的增加,复合材料的磨损率显著
增加;2）沿着不同方向磨损时, 层状复合材料的磨损率展现了明显的各向异性特征, 沿着平行于片层方向磨损时耐磨性最好, 沿着垂直于片层方向磨损时耐磨性最差;层状复合材料优异的磨损耐磨性可以归结为:在磨损前期,复合材料的“自锐化”效应抵抗了大面积的磨损,而在后期,摩擦膜的形成起到了降低磨损的作用。
（5）利用冰模板结合压力浸渗技术制备了层状仿贝壳结构
Al/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 复合材料。
通过改变陶瓷含量以及坯体的烧结温度调控陶瓷片层致密度以及界面反应程度, 获得了高强韧性复合材料,并建立了陶瓷片层致密度-界面反应-力学性能-断裂机制之间关系:在反应体系中, 陶瓷片层致密度直接影响了熔体在陶瓷片层内的浸渗以及浸渗后体系的界面反应。
随着坯体烧结温度和固相含量的增加, 陶瓷片层致密度增加, 界面反应生成脆性Al<sub>3</sub>Zr 相程度降低, 因而材料的强度和韧性都得到了改善。
反应产物Al<sub>3</sub>Zr 的存在促进了初始裂纹的萌生, 尤其当Al<sub>3</sub>Zr 在界面连续排列时, 它还可以诱导界面在主裂纹形成前发生开裂从而大大削弱了材料的断裂韧性。
因而,在反应产物作为有害相条件下, 应该尽可能控制界面反应。
总之, 本文通过两种浸渗技术,详细研究了复合材料的成分-组织结构-性能之间的关系,并揭示了复合材料的断裂和磨损机制。
为发展轻质、高强韧、耐磨的层状Al 基/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub> 复合材料提供一定的实验数据与技术参考。