山东大学博士生开题报告ppt

构 及
过对其强韧机制、界面缺陷和相变机制的理论研究，为
特
氧化锆复合材料的相变强韧机制的完善提供动力学数据，
性 的 理
以期为复合材料的实验研究提供理论指导，促进氧化锆 邓复相陶瓷在各个领域的产业化发展。
论
研
究
山东大学2018级材料学博士研究生开题报告
二. 复合材料的理论研究现状
陶
瓷
基
1.复合材料界面增强增韧的理论研究
山东大学2018级材料学博士研究生开题报告
四. 技术路线
陶 瓷 基 复 合
建立和优选氧化锆等材料的晶胞、团簇和缺陷模型
调
整
所
空位和离子扩散的动力学计算 不同添加剂对界面结合强度的影响计算
选
取
材
模
料
对照实验结果和理论结果
型
微
观
结
指导确立最佳模型和添加
构 及
剂
特 性
氧化锆相变机制综合分析
典型试样微观检测和力学性能测试
复
合
材
表面包覆材料界面结合强度的理论预测
料
微
观
结 构 及
张等人利用DFT(B3lyp)方法，详细研究了 BN超硬材料在其金属（ Al）表面的包覆。微观动
特
力学研究表明：Al-N键结合要强于Al-B键，从而
性 的
推测认为对N在Al(001)面的优先吸附对生成C-
理
BN相是有利的，对Al(001)面预先氮化处理有助
RZr2-Zr3=0.341 nm
(0.359)
O Zr
Zr O
Zr O
O Zr
RO-Zr=0.214 nm (0.219)
RZr-Zr=0.283 nm (0.359)
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六.课题可行性分析
陶
瓷
基 复 合
2. 现在拥有一台高配置的计算机和计算所需的相关软件 （Gaussian 98,Hyperchem, Mopac）.
三. 研究内容和方法
陶
瓷
基 1.建立合适模型
复
合
材
料
微 观
2.计算
结
构
及
特
性
3.对照实验和理论结果
的
理
论
研
究
1．建立并优选氧化锆及其它材料晶胞、表面 { （100）、（110）和（111）} 和团簇 （Cluster）的模型 3．建立氧化锆（100）、（110）和（111） 表面和各种晶胞的空位（氧空位）和掺杂（氧
观
结
构
及
特
性
从理论与实验上首次对Fe3Al增韧增强ZrO2陶瓷的
的 理
机制进行研究。
论
研
究
山东大学2018级材料学博士研究生开题报告
六.课题可行性分析
陶 瓷
1. 现阶段进展
基
复
合
材
料
微
观
结
构
及
特
性
的
理
论
ZrO2晶胞(红球氧，灰球锆，下同)
研
究
ZrO2团簇
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观
结
构 及
应力腐蚀理论
特
性
的 理
阳离子-空位扩散理论
论
研
究
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二. 氧化锆陶瓷的研究现状
陶
瓷
基
2. 相变机制的研究
复
合
1 Nakanishi等人首先提出Y2O3-ZrO2陶瓷中t-m相变是一种受氧
材
离子短程扩散控制的类贝氏体相变。
料 微 观
表面2 化国内学许理祖耀论、路新瀛等人认为CeO2-ZrO2的等温相变是受氧扩散 控制的贝氏相变，氧空位浓度的增加或减少都会导致t-m相变。
2. 计算优选的各种材料的稳定团簇，使用半经验、 密度泛函和动力学方法以优选的团簇复合研究氧化
构
锆增强增韧金属，氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金
及
属间化合物不同表面的择优结合的吸附能进行理论
特
定性预测，考虑不同添加剂和成分对界面结合强度
性
3.对照实验和理论结果 的影响,对实验操作进行理论指导。
的
理
论
研
究
的
理
论 研
1.统一ZrO2陶瓷相变机制并建立其相变动力学数据
究
2.建立ZrO2复相陶瓷微观结构与性能的关系
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五. 本课题的创新点
陶
瓷
基
复
合 材 料 微
国内外尚无对氧化锆相变机制开展系统的动力学研 究。本课题首次对氧化锆相变机制开展系统的动力学研 究，从动力学上解释其相变机制的内在原因
表面化学率理，论但不能解释惰性气氛中时效试样。
观
结
构 及
应力腐蚀理论
特
性
的 理
阳离子-空位扩散理论
论
研
究
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二. 氧化锆陶瓷的研究现状
陶
瓷
基
2. 相变机制的研究
复
合
材
Schumauder等人认为时效过程并不单独由水的表面
料 微
表面化内化学不学吸均理附匀造分论成布，造而成是的由不均Y2匀O应3在力缺和陷水表共面同或作在用t结相果晶。粒
性 的
不到很好的解释，而这正是影响复合材料性质
理
改变的本质原因。
论
研
究
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一. 选题背景
陶
瓷
基 复
3.课题的提出意义及来源
合
材
料 微 观
本课题研究将得到国家自然基金资助( No： 50242008) 本课题以掺杂陶瓷基(氧化锆为主）复合材料的相变
结
机制和强韧化机理界面结构的微观解析为指导对象，通
构
及
特
对氧化锆基陶瓷材料的相变规律缺乏统一的理论指导，
性 的 理 论 研
相变机制的研究主要集中于Y2O3-ZrO2体系，而对 CeO2、MgO、CaO的研究相对较少特别是阴离子N、C 粒子掺杂影响则更少，有关的动力学数据少而不完善， 而且实验结果对氧化锆等温相变机制还存在矛盾。
究
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究
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二. 研究现状
陶
瓷 1.复合材料界面增强增韧的理论研究
基
复
合 材
陶瓷材料间韧化机制的简单模型
料
微
观 结 构 及
Painter等人使用局域密度近似(LDA)方法， 在氮化硅（Si3N4）和氧化铝(Al2O3)复合材料 的烧结性能研究中，以偶合四面体团簇模型(右图)
离子置换锆离子，氮原子置换氧离子造成空位， 碳原子占据间隙位）
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三. 研究内容和方法
陶
瓷
基 1.建立合适模型
复
合
材
料
微 观
2.计算
结
1. 计算时以空位为中心选取不同的氧原子-空位扩 散途径，对所选取的模型考虑不同阳离子置换和阴 离子置换进行静态势能面扫描和单点能计算，结合 实验结果，对得到吸附扩散动力学数据进行系统分 析，探明影响氧化锆相变的规律。
六.课题可行性分析
陶 瓷
1. 现阶段进展
基
O(6)
O(1)
复
合
O(4)
Zr(2)
材
料
Zr(7)
微
Zr(3)
观
结
O(5)
构
及
特 性 的 理 论
HF=-439.0725745 RO1-Zr2=0.209 nm
(0.219) RO3-Zr2=0.219 nm
研
RO2-Zr3=0.207 nm
究
RO2-Zr73=0.206 nm
7. 论文进展 安排
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一. 选题背景
陶
瓷
基
复 合
1 陶瓷基复合材料的性能及特点
材
料
微
观
结 构
2 实验研究的局限性
及
特
性 的
3 课题的提出意义及来源
理
论
研
究
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一. 选题背景
陶
瓷
基 复
1. 陶瓷基复合材料的性能及特点
合
材
论
如塑性、强度和抗蠕变能力等。
研
究
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一. 选题背景
陶
瓷
基 复
2.实验研究的局限性
合
材
料
微
观
由于传统方法制备新材料要通过大量实验，
结 构 及
寻找规律，确定最佳性能不仅费时、费力而且 带有较大的经济消耗，同时，受实验条件的局
特
限性，对复合材料微观结构演变的影响规律得
结
3 郑秀华研究认为相变过程不仅存在氧离子-空位扩散，而且还可能
构 及
应力有 降腐阳 低离 了蚀子四理方-空相论位的扩稳散定，性掺。杂导致Zr-O配位层中空位数目的减少，从而
特
性
4 最近罗曼光谱对氧化锆表面吸附SO42-和Y2O3稳定的氧化锆研
的 理
阳离究 化子表 锆明 在-空，60t位0-m度扩相还变几散开乎理始没于发论表生面相并变逐，渐Y2到O体3稳内定，的SO氧4化2-锆表在面8酸0化0度的尽氧管
料 微
2021.05~2021.11
观
结
构 2022.12~2022.04
及
特
性
的 2023.05 ~ 2023.06
理
论
研
究
优选模型 , 熟悉计算操作 对氧化锆相变机制模拟计算
结合实验结果计算分析不同添加 剂对ZrO2陶 瓷的增韧增强的机理 典型试样检测、验证理论结果、 增补计算、论文撰写
准备论文答辩
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研究题目：陶瓷基复合材料微观结构 及特性的理论研究
博士生： 陈XX 导 师： XX教授
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陶
瓷
基
复 合
1. 选题背景
材
料
微
观
结
构
及 特
5. 创新点
性
的
理
论
研
究
2.研究现状
6. 可行性 分析
3.研究方法 和研究内容
4. 技术路线
论
表面发生了相变，但体内氧化锆体内仍保持四方相。
研
究
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二. 研究现状
陶
瓷 基
3 .存在问题
复
合
材 料 微 观 结
陶瓷材料的界面的研究侧重于金属与陶瓷材料的表 面，而对陶瓷材料与陶瓷材料和陶瓷材料与金属间 化合物的微观理论研究较少，对它们界面结合的择 优取向和成分变化影响的理论研究还罕见报道。
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三. 研究内容和方法
陶
瓷
基 1.建立合适模型
复
合
材
料
源自文库
微 观
2.计算
结
构
及
特
性
3.对照实验和理论结果
的
理
论
研
究
3. 利用高分辨电子显微镜（HREM)、电 子衍射、中子散射、x射线光电子能谱（XPS） 对典型试样晶界原子排列方式、键合形式、 配位方式、掺杂原子偏聚以及缺陷的组态进 行直接的观察和分析，结合理论结果建立 ZrO2纳米陶瓷微观结构与性能之间的关系模 型。
料
微 观 结
陶瓷基复合材料一般具有高强度、高韧型和优 异的热性能和化学稳定性。从微观分析来看，它是
构
由许多微小的单晶体依赖原子间相互作用力结合在
及
一起而组成的多晶材料，它的许多性能要优于单组
特 性 的 理
份金属或陶瓷材料，而多晶材料本质上是不稳定的， 随温度的改变而导致结构发生变化，反过来多晶体 结构的变化将导致材料力学及物理化学性能的改变，
特 研究了基体相(Si3N4)与形成的玻璃相
性
（ Si6Z AlZOZ N8Z ）的界面各种组分变化的相
的 对稳定能（键能）。计算结果认为，在Si3N4基
理 体上优先形成Al-N键，铝原子的优先占位促进了
论 SiAlON的指数增长，交叉网络键模型促进了界面
研 的强化。
究
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陶 瓷
1. 现阶段进展
基
复
合
材
料
微
观
结
构
及
特
性
的
理
论
研
究
六.课题可行性分析
ZrO2（100）表面侧看，顶部看
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六.课题可行性分析
陶 瓷
1. 现阶段进展
基
复
合
材
料
微
观
结
构
及
特
性
的
理
论
ZrO2晶胞（110）表面
研
究
ZrO2晶胞（111）表面
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材
料
微
观
结 构
3. 本实验室可以提供相关的实验结果和样品的微观界面
及
分析，相关研究经验可以借鉴.
特
性
的
理
论 研 究
4. 导师具有扎实的理论基础，使用EET理论作过大量 的理论研究.
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七.课题研究进度安排
陶
瓷
基
复 2019.11~2019.12
合 材
2020.01~2020.04
论 研
于C-BN在铝基体的吸附.
究
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二. 研究现状
陶
瓷
基
1.复合材料界面增强增韧的理论研究
复
合 材
复合材料界面能的预测
料
微
观
结
构 及
A
B
Wad A
B
特
性
的
分别计算两种材料表面的能量及形成复合界面
理
的能量，获得吸附能预测材料表面的结合能。
论 研
Wad WA WB WAB
二. 研究现状
陶
瓷
基
2. 氧化锆相变机制的研究
复
合
材
料 微
表面化学理论
观
结
构 及
应力腐蚀理论
特
性
的 理
阳离子-空位扩散理论
论
研
究
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1 lang认为由于Y3+从内部向表面扩散与吸附水分子
二. 氧反核化应的锆形有成利陶位Y(瓷置OH，的)使3,研相在变Y究2从O表现3面含状向量内低发的展地；方成为m相形
陶
2 Schubert认为Y3+不可能从内部向表面扩散，而
瓷 基 复 合 材 料 微
1. 相变机制的是3研吸Yo附究s的him水a从ra点任阵为中Y向(O内H扩)3散晶。体的形成是不可能的，
而是水在表面吸附解离形成Zr-OH或Y-OH导致应力 集中发生相变
缺陷：表面化学理论的提出，基于水提高t-M相变速