低温下氧化物陶瓷的微观结构、断裂机理与性能研究

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1、低温下氧化物陶瓷的微观结构、断裂机理与性能研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：陈娟指导教师：谢志鹏教授二零一六年十月ResearchonthemicrostructureandfracturemechanismofoxidestructuralceramicsatcryogenictemperaturesDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequireme

2、ntforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMaterialsScienceandEngineeringbyChenJuanDissertationSupervisor:ProfessorXieZhipengOctober,2016摘要摘要随着低温技术的不断进步，低温材料的广泛应用，越来越多的科学工作者开始关注室温及高温性能优异的材料在低温领域应用。由于材料在低温领域的使用环境恶劣，常伴随着腐蚀、磨损、强电场、强磁场等，而先进结构陶瓷材料由于其具有高强度、耐磨损、低导热

3、、电绝缘等特点使其在低温领域中具有不可替代的应用前景。然而，目前关于先进结构陶瓷材料在低温下性能的变化及其机理的研究却非常少。本文所开展的工作主要集中于几种典型的氧化物陶瓷的低温性能，研究其玻璃相含量、低温下断裂模式的改变以及相变对其低温性能的影响。研究了不同YO稳定剂含量的ZrO陶瓷断裂韧性与温度的关系，通过in-situ232Raman对ZrO室温及低温单斜相含量的变化进行测定，分析了YO含量对ZrO2232增韧机制的影响。同时，对4.0mol%YO稳定的ZrO低温断裂韧性劣化的原因进232行

4、了分析。系统研究了Al2O3陶瓷的低温特性。对半透明Al2O3的研究发现，与室温相比，77K时抗弯强度、断裂韧性和压缩强度均有不同程度的升高。同时，制备了一系列不同玻璃相含量的AlO陶瓷，研究了其室温及低温力学性能，并分析了玻璃相含23量对其低温性能的影响。同时对99%AlO在500K、298K和77K时裂纹的扩展路23径进行了统计分析。结果表明，随着温度的降低，99%AlO23穿晶断裂比例增加。采用放电等离子体烧结工艺和热压烧结工艺制备了不同烧结温度的ZTA陶瓷，对其室温与低温的力学性能研究表明

5、，低温下ZTA陶瓷的抗弯强度和断裂韧性均有不同程度的提高。分析了低温下力学性能提高的原因，结果表明，ZTA陶瓷中存在应力诱导相变增韧效应。同时，低温下残余应力的存在能够增强该增韧效应。对可加工云母玻璃陶瓷的室温及低温力学性能测试结果表明，与298K相比，77K时抗弯强度增加了28%，断裂韧性增加了24%。低温下压缩强度也有不同程度的增加，并在195K时获得较大值。SEM分析表明，77K时发生了云母晶片的拔出现象。同时，从裂纹扩展角度分析了可加工云母玻璃陶瓷低温力学性能提高的原因。通过对这几种典型的

6、氧化物结构陶瓷低温特性的分析结果表明，它们在低温下的力学性能并没有发生劣化，甚至有显著提高，同时考虑其在低温下良好的热稳定性，这几种陶瓷材料均为低温领域的理想候选材料。关键词：氧化物陶瓷；低温；力学性能；断裂机理；增韧机制IAbstractAbstractWiththeprogressofcryogenictechnologyandthematerialswidelyusedincryogenicfield,moreandmorescientistshavestartedtofocusonthea

7、pplicationofmaterialsusedincryogenictemperatures,whichhaveexcellentroomandhightemperatureproperties.Thecryogenicfieldsoftenaccompaniedwithcorrosion,abrasion,strongelectricfieldandmagneticfield.Theadvancedstructuralceramicshaveanirreplaceableapplicatio

8、nincryogenicfieldbecauseoftheirhighstrength,wearresistance,lowthermalconductivityandelectricalinsulating.However,therearefewresearchstudyingthecryogenicpropertiesandtheirmechanismofadvancedstructuralceramics.Inthispaper,theinfluenceofglassphas