梯度结构对氧化铝陶瓷涂层抗冲击载荷性能的影响

机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第48卷第21期 2012年11月

Vol.48 No.21 Nov. 2012

DOI ：10.3901/JME.2012.21.124

梯度结构对氧化铝陶瓷涂层抗冲击

载荷性能的影响*

程西云 何 俊 肖 舒 张金星

(汕头大学工学院 汕头 515063)

摘要：梯度结构陶瓷涂层以其优异的抗热震性表现出巨大的工程应用前景。为推动梯度陶瓷涂层在机械零件表面强化上的应用，采用“三明治”式梯度结构形式，建立镍基氧化铝梯度陶瓷涂层在冲击载荷作用下有限元模型，分析冲击载荷作用下涂层的力学性能，以及梯度层的结构形式、厚度及层数等参数对涂层的力学性能影响。结果表明：较无梯度结构陶瓷涂层相比，梯度结构能有效减缓涂层与基体结合面上的应力突变，涂层内部最大Mises 应力明显降低，合理的梯度结构能改善涂层内部Mises 应力分布，改变应力分布特征，减缓表面陶瓷涂层的冲击应力，从而防止陶瓷涂层在冲击载荷作用下脱落。最后对制备层状结构梯度陶瓷涂层时，如何进行梯度层结构设计进行了探讨，并提出了采用0.25次方幂指数梯度结构，得出10层中间层就可有效减缓冲击载何、降低Mises 应力突变的结论。 关键词：梯度层 结构设计 冲击载荷 力学性能分析 中图分类号：O347

Influences of Gradient Structure on the Impact Resistance of Al 2O 3

Ceramic Coatings

CHENG Xiyun HE Jun XIAO Shu ZHANG Jinxing

(Department of Mechatronic Engineering, Shantou University, Shantou 515063)

Abstract ：An elastic-plastic finite element method numerical model for gradient coatings with sandwich structure is formulated to study stresses developed at Al 2O 3 gradient ceramic coatings during impact loads. The influence of structure parameters such as the layout of interlayer/metal, the thickness of gradient coatings on the impact resistance is analyzed. The results are compared with those obtained from the nongraded interface to assess the potential for achieving impact stress reductions. Analyses are conducted for a axisymmetric cylindrical specimen geometries relevant to coating. The graded microstructure is treated as a series of perfectly bonded layers, each having slightly different properties. Constitutive relations for the interlayers are estimated using a modified rule-of-mixtures approximation, and strain and stress distributions are calculated for simulated falling rigid ball. The results show gradient structure can reduce the stress mutation in the joint surface between the coating and the substrate comparing with the nongraded interface, the maximum Mises stress of the coatings is significantly reduced. And the results also show reasonable graded structure can effectively improve the Mises stress distribution of the coatings and change the characteristics of stress distribution. It shows that in some cases, optimization of the microstructure is required to achieve reductions in certain critical stress components believed to be important for controlling interface failure, and an adopting gradient structure of 0.25 power exponent is proposed, and 10 interlayers can effectively reduce impact loads and Mises stress mutations.

Key words ：Gradient coating Structure design Impact load Mechanical properties analysis

0 前言

梯度结构涂层是从基体到陶瓷涂层之间具有

* 广东省自然科学基金(8351503101000001)和广东省高等学校高层次人才资助项目。20120105收到初稿，20120828收到修改稿

在成分、组织、结构、密度和功能特性上呈现连续

变化的一种涂层结构[1]

。 同单层结构涂层相比，这种结构由于宏观特性上的变化是逐渐过渡的，因而陶瓷层和基体间的内应力小，在高温、冲击载荷工作环境下，其承受的热应力、冲击应力得到一定的缓和，是一种优异的涂层结构。梯度陶瓷涂层具有

2012年11月程西云等：梯度结构对氧化铝陶瓷涂层抗冲击载荷性能的影响125

许多其他材料所不具备的优良性能，特别适合陶瓷涂层与高温合金的性能匹配，获得高性能的耐磨、耐热涂层，在高温或大温差环境下，冲击应力及热应力突变大为减缓，有效地防止了涂层剥落[2-3]。

同热障涂层相比，机械零件表面除承受热应力外，还承受冲击载荷、交变载荷，极易引起表面强化层的脱落。研究表明合理的涂层结构设计能有效减缓涂层应力突变，如范群波等[4]采用有限元法对梯度结构涂层隔热进行了分析，发现采用5层梯度结构能有效隔热，并起到热应力缓和作用。ZHANG 等[5]采用有限元分析方法对功能梯度层的冲击特性进行了建模分析，发现梯度结构的改变对涂层内部应力波传播有较大的影响，合理结构能减少基体与涂层间应力及损伤演化律。开展适合机械零件表面梯度层结构设计的研究，对于将梯度层引入到机械零件表面强化应用上具有十分重要的意义。

利用刚性小球撞击圆柱体上表面，基于柱状表面涂层受力分析，采用ANSYS有限元分析软件，研究不同结构形式梯度层在冲击载荷作用下，涂层的应力分布，分析不同梯度结构涂层的冲击应力的变化。在实验室采用激光熔覆方法制作了镍基氧化铝梯度层并进行了抗冲击性试验，部分证明梯度层结构设计的正确性。

1 梯度层结构设计建模

1.1梯度层的建模

采用连续介质镍-镍/氧化铝梯度-氧化铝计算模型，分析该结构模型在冲击载荷作用下的应力、应变，冲击载荷为一刚性小球以速度v=25 m/s撞击圆柱体端面，撞击点在端面的中心。图1为刚性小球撞击圆柱体模型，δ1为氧化铝层厚度，δ2为梯度层厚度，δ3为具有涂层结构圆柱体的基体厚度。

图1 刚性小球撞击具有梯度层结构圆柱体模型

对图示模型采用有限元分析软件ANSYS进行数字求解，由于刚性小球冲击过程是一个动态过程，在此过程中试样将发生弹塑性变形，本文利用ANSYS软件冲击载荷分析工具，采用LS/DYNA求解器进行动态载荷试样的应力应变分析。

1.2模型几何特征和计算网格划分

模型参数见表1。梯度层中靠近氧化铝层的部分氧化铝所占体积分数接近100%，靠近镍基体部分，镍所占体积分数接近100%，中间各层氧化铝按一定的体积比例关系呈现梯度变化，冲击小球为刚性小球。

表1模型参数mm

参数数值

圆柱体直径D

氧化铝层厚度δ1 0.25～3.00

梯度层厚度δ20～3.00

圆柱体的基体厚度δ3 39.00～44.25

刚性小球直径d60

由于模型为轴对称结构，取具有涂层结构圆柱体中心轴为y轴，建立图2所示坐标系，分析过程中取Oxyz坐标系所在平面与模型相交所得横断面进行分析。图3为有限元网格划分，镍基体沿x轴方向划分网格100份，方向率为0.125，沿y轴方向划分网格80等份，梯度层沿x轴方向划分网格100份，方向率为0.125，沿y轴方向划分网格100等份，氧化铝层沿x轴方向划分网格100份，方向率为0.125，沿y轴方向划分网格40等份。

图2 模型坐标系

图3 模型有限元网格划分

1.3梯度层成分指数的描述

对镍/氧化铝组成的二元梯度材料，假定组元成分沿y轴涂层厚度方向呈现一维连续分布，组元氧化铝的体积分数是y的一元函数。组元分布形式采用WAKASHIMA等[6]提出的幂函数渐变形式，取222

/

y

iδδ

=，式中，

2y

δ为沿y轴方向梯度层厚度，

机 械 工 程 学 报 第48卷第21期

126 δ2为梯度层总厚度，沿梯度层厚度方向上氧化铝组元体积分数分布为

c 22()100%p y V i δ=×

(1)

式中，p 为成分分布指数。

通过改变p 值的大小，可以改变c 2()y V δ曲线的形状。图4为不同分布指数对应的成分分布曲线，可以看出，对二组元梯度材料，改变幂函数指数值能得到不同形式渐变梯度层，当 p =1.00时，组元在梯度层中体积分数按线性关系变化，当 p =4.00时，组元体积分数按幂指数变化，此时梯度层中氧化铝的体积分数较线性梯度小。

图4 不同p 值下的二组元体积分数分布曲线

1.4 镍、氧化铝及其组成的复合材料特性 对镍-氧化铝组成的纯金属陶瓷复合梯度材料，

采用有限元计算梯度层应力应变过程中，该类复合梯度材料按各向同性弹塑性体进行计算，采用V on Mises 屈服准则判定材料是否发生塑性形变。梯度层计算过程按多层层状“三明治”结构模拟不同体

积分数梯度层[7]

。各层材料的物理性能参数同各组元的体积分数密切相关。不同体积分数复合材料的

应力应变参数可按TAMURA 等[8]

提出的混合定律求得，图5为复合材料应力应变关系示意图，图5中，m V 为复合材料中镍的体积分数，c V 为复合材料中氧化铝的体积分数，m H 为镍的切变模量，H 为复合材料切变模量，σα为复合材料的应力，εα为复合材料的应变，q 为应力应变比率。

复合层材料的应力应变与纯镍和纯氧化铝的体积分数及力学性能参数相关，可按以下关系求解

m m c c

m m c c V V V V σσσεεεαα

=+??

=+? (2) 式中 m σ ——镍的应力

m ε ——镍的应变

c σ ——氧化铝的应力 c ε ——氧化铝的应变

图5 复合材料应力应变关系示意图

且m V +c V =1，而q 值按式(3)求解

c m

c m

q σσεε?=

? (3)

当0q q →→∞或，两种材料为等应力或等 应变。

由式(2)、(3)可以推导出，复合材料的弹性模 量为

1

c c m m c c m c m m q E q E E V E V E V V q E q E ?++????

=++????++????

式中，m E 为镍的弹性模量，c E 为氧化铝的弹性模量，q 一般取4.5 GPa ，这个值较接近二组元材料试验值，关于q 的取值可参阅文献[9]。

复合材料的屈服强度可按下式求得

()c c m m m m c m

y E V q E V V q E E σσ+??=+

??+?

?

复合材料切变模量按下式求得[7]

1

c m m

c c m c m m c q E q E H V H V E V V q H q H ?++????

=++????++????

表2～4分别表示镍基体、氧化铝和刚体小球

力学性能参数。

表2 镍的力学性能参数

参数

数值 弹性模量E m ／GPa 214 泊松比νm

0.31 弹性强度极限σBm ／MPa 148 切变模量H m ／MPa 668 密度ρm ／(g/cm 3

)

8.8

表3 氧化铝的力学性能参数

参数

数值 弹性模量E c ／GPa 380 泊松比νc 0.25 密度ρc ／(g/cm 3

)

3.9

2012年11月程西云等：梯度结构对氧化铝陶瓷涂层抗冲击载荷性能的影响127

表4刚性小球的力学性能参数

参数数值

弹性模量E b／GPa 380

泊松比νb0.35

密度ρb／(g/cm3) 3.9

2 计算结果与分析

2.1单层氧化铝层与梯度层抗冲击性能对比

图6为氧化铝层厚度δ1= 0.25 mm，其与基体间无过渡层及有δ2 =1.50 mm线性梯度过渡层，冲击载荷作用下Mises应力分布曲线。图6a、6b 为该模型对称轴上A、B、C特征点(A为对称轴与氧化铝层表面相交点，B为对称轴与氧化铝底层相交点，C为对称轴与基体表面相交点，后面相同）总Mises应力时间历程曲线，可以看出，最大接触应力发生在刚性小球同氧化铝层表面接触后0.03 s，涂层中总Mises应力达到第一阶段峰值，之后刚性小球开始反弹，最大Mises应力在4 000 MPa波动。比较图6a、6b可以看出，最大Mises应力发生在氧化铝层结合界面上，在氧化铝和基体间增加1.5 mm 梯度层后，氧化铝层分界面上总应力平均下降了6%，且氧化铝层Mises应力分布发生了改变，平均Mises应力幅值下降了。图6c、6d为冲击载荷作用0.03 s时，沿对称轴y方向总Mises应力变化，可以看出，无梯度过渡层时，氧化铝层同基体分界面应力存在较大的突变，Mises应力从3 275 MPa下降到295 MPa，应力突变率达90%，而增加梯度层后，Mises应力从3 088 MPa下降到1 610 MPa，应力突变率下降到47%。

从提高氧化铝层同基体结合性能角度分析，氧化铝层同基体间存在过大的应力突变对提高陶瓷涂层与基体间的结合持久性显然不利，提高陶瓷涂层抗冲击载荷能力必须设法降低这种应力突变，在陶瓷涂层与基体间增加梯度层能有效改善应力突变。但梯度结构如何设计，如梯度层厚度、结构形式对涂层抗冲击性能有显著的影响，下面对梯度层结构对抗冲击性能影响进行分析。

2.2梯度层厚度对冲击性能的影响

图7为氧化铝层厚度δ1 = 0.25 mm，线性结构梯度层厚度δ2 分别为 3.0 mm、2.0 mm，基体厚度δ3分别为 41.75 mm、42.75 mm时，涂层特征点的应力时间历程曲线及对称轴上总Mises应力分布曲线。可以看出，梯度层厚度由3.0 mm减少到2.0 mm 时，氧化铝层表面Mises应力减小了，冲击载荷作用0.03 s时，表面Mises应力从1 150 MPa 减小为560 MPa，梯度层厚度继续减少到1.5 mm时，表面Mises应力下降到401 MPa，计算结果表明进一

图6 冲击载荷作用下涂层Mises 应力分布

步减小梯度层厚度到1.0 mm时，表面Mises应力减小不明显，但随着梯度层厚度的减小，氧化铝层和梯度层结合面间的Mises应力增大了，同样在冲击载荷作用经历0.03 s时，厚度由 3.0 mm减少到2.0 mm时，结合面处Mises应力从1 940 MPa 上升到2 380 MPa，梯度层厚减少到1.0 mm时Mises应力上升到3 090 MPa，因此从减小涂层表面接触应力角度分析，降低梯度层厚度有利于降低涂层表面

机 械 工 程 学 报 第48卷第21期

128

图7 梯度层厚度对冲击性能的影响

Mises 应力，但不能降低氧化铝层同梯度层界面Mises 应力。在本计算模型中，梯度层厚度为1.5 mm 时，就能达到减少氧化铝层表面Mises 应力，同时使得梯度层与氧化铝层结合面上Mises 应力不至于过高。

2.3 梯度结构形式对涂层抗冲击性能的影响 图8为氧化铝层厚度δ1=0.25 mm ，梯度层厚度δ2=1.50 mm ，基体厚度δ3=4

3.25 mm ，梯度层中氧化铝沿y 轴方向上的体积分布幂指数p =

4.00、0.25两种结构形式在冲击载荷作用下，涂层特征点的应力时间历程曲线及对称轴上总Mises 应力分布曲

图8 梯度层结构对冲击性能的影响

2012年11月 程西云等：梯度结构对氧化铝陶瓷涂层抗冲击载荷性能的影响 129

线。可以看出，同线性梯度结构相比，当幂指数p =4.00时，梯度层与氧化铝结合界面附近氧化铝质量分数减少梯度大，氧化层表面Mises 应力减小了，在500～700 MPa 变化，但其与梯度层结合面上的

Mises 应力幅值增加了，结合面上Mises 应力从

3 140 MPa 减到798 MPa, 应力突变率达75%。而当幂指数p =0.25时，同线性梯度层相比，梯度层与氧化铝结合界面上氧化铝质量分数减少的梯度变小了，此时梯度层中氧化铝质量分数增加了，涂层表面Mises 应力有所增加，在1 500～2 200 MPa 变化，但在涂层内部总Mises 应力变化平缓，应力突变率明显减小。

比较梯度层中氧化铝沿厚度方向上的体积分布的几种形式，幂指数p =0.25时，氧化铝层同梯度层间总Mises 应力变化较平稳，但氧化铝表面Mises 应力大一些，而当p =4.00时，氧化铝同梯度层间总Mises 应力突变大，采用线性梯度结构时，氧化铝同梯度层间总Mises 应力有一定的突变，但氧化铝表层的应力相对小一些，从减少梯度层与氧化铝层间应力突变率角度分析，采用p =0.25的梯度结构较有利。

2.4 梯度层层数对冲击性能的影响

采用热喷涂工艺制作梯度层大都采用逐层喷涂制作的，梯度层是采用一系列不同比例体积分数的组元逐层喷涂而成，梯度结构是通过不同层组元

比例的调节来实现所设计的结构[10]

。梯度中间层层数的多少一方面关系到制作梯度层的复杂性和成本，同时对涂层的力学性能也有非常重要的影响，如何设计梯度中间层层数关系到梯度层性能是否能得到充分发挥。

图9为采用幂指数p =0.25的梯度结构，氧化铝层厚度δ1=0.25 mm ，梯度层厚度δ2=1.50 mm ，基体

厚度δ3=43.25 mm ，梯度中间层采用20层、10层及5层结构涂层中特征点的应力时间历程曲线及对称轴上总Mises 应力分布曲线。可以看出，减少梯度中间层数对总Mises 应力的时间历程趋势影响不大，但对氧化铝层及其与梯度层结合界面上总

Mises 应力有一定的影响，计算结果表明梯度中间层从30层减少到20层时，氧化铝层及梯度层应力时间历程曲线变化很小，当梯度中间层减小到10层时，氧化铝层及其与梯度层结合界面上应力幅值进一步下降，但氧化铝层与梯度层结合面上应力突变有所增加，进一步减少梯度中间层数到5层时，氧化铝层表面应力幅值有所下降，氧化铝层同梯度层结合面间应力突变加大了。增加梯度中间层数对

减缓冲击应力幅值效果不明显，但可降低应力突变，当梯度中间层取10层时，冲击应力幅值及涂层内部应力突变均得到减少。

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130

图9 梯度中间层层数对冲击应力分布的影响

对以上计算结果分析可知，在本模型中，当刚

性小球以25 m/s 撞击圆柱体端面时，合理确定梯度

层的厚度及结构形式，能有效降低涂层表面的冲击

应力，特别是当采用幂指数p =0.25、厚度为

1.50 mm 、10层梯度中间层的梯度结构，在降低氧

化铝表面Mises 应力的同时，能有效减少陶瓷涂层

基体间应力突变梯度，这对防止陶瓷涂层同结合面

间的破坏、减少陶瓷涂层的脱落是非常有利的。由

于本文所采用的镍基氧化铝层复合材料是按有关资

料来描述的，其准确性有待进一步通过试验检验，此外在计算梯度层过程中，特别分层计算不同体积分数氧化铝梯度层结构时，均假定梯度层中间层间不存在滑动，各层之间结合强度足够抵抗层间滑移，理论假设同工程实际多层结构梯度层有一定的差异，计算结果的准确性有待通过试验进一步验证。 3 结论

(1) 梯度结构能有效减缓陶瓷涂层与金属基体间的冲击应力。

(2) 梯度结构形式对冲击应力有一定的影响，幂指数p =0.25的梯度同线性梯度及p =4.00梯度相比，有明显优势。

(3) 梯度层厚度同冲击载荷大小有一定的关

系，在一定的冲击载荷作用下，合理设计梯度层厚度，减缓冲击效果明显。

(4) 用拟合法制作具有幂指数p =0.25结构的梯度层，一般采用10层梯度中间层结构就可以达到减缓冲击应力的目的。

参 考 文 献

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作者简介：程西云，男，1966年出生，教授。主要研究方向为金属材料表面改性技术。

E-mail：xycheng@https://www.wendangku.net/doc/6a13818360.html,

陶瓷的分类及性能

陶瓷材料的力学性能 陶瓷材料 陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键高分子：共价键（主价键）范德瓦尔键（次价键） 陶瓷：离子键和共价键。普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。 工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。 硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。 一、陶瓷材料的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相 晶界、夹杂 （种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。 （可通过热处理改善材料的力学性能） 陶瓷的分类 玻璃 — 工业玻璃 (光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃 陶瓷 —普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘） ，化工，多孔 ……特种陶瓷 -电容器，压电，磁性，电光，高温 …… 金属陶瓷 -- 结构陶瓷，工具（硬质合金） ，耐热，电工 …… 玻璃陶瓷 — 耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷 … 2. 陶瓷的生产 (1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种

陶瓷（人工的化学或化工原料 --- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2) 坯料的成形 （可塑成形，注浆成形，压制成形） (3)烧成或烧结 3. 陶瓷的性能 (1)硬度 是各类材料中最高的。 （高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV） (2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2) (3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。 2 （E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。 (4)塑性：在室温几乎没有塑性。 (5) 韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。 (6) 热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K） (7)热稳定性 — 抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷 220 ℃） (8)化学稳定性 ：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐） (9) 导电性 — 大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（ NiO ， Fe3O4 等） (10) 其它： 不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。 普通陶瓷

氧化铝陶瓷的制备与应用

论文题目：氧化铝陶瓷的制备与应用 学院：材料科学与工程学院 专业班级：材料化学2班 学号：20090488 姓名：王杰 日期：2011-10-19

氧化铝陶瓷的制备与应用 摘要：氧化铝陶瓷是用途最广泛的陶瓷材料中的一种，它可用作机器及设备制造中的耐腐蚀材料、化工专业中的抗腐蚀材料、电工及电子技术中的绝缘材料、热工技术中的耐高温材料以及航空、国防等领域中的某些特种材料。 Abstract: the alumina ceramics is the most widely use of one of the ceramic material, it can be used as the machine and equipment manufacture of corrosion resistant material, chemical corrosion materials in the professional, electrical and electronic technology of thermal insulation materials, high temperature resistant materials and technologies in the aerospace, defense, etc to some of the special material. 关键词：氧化铝陶瓷耐磨性机械强度耐化学腐蚀 Keywords: alumina ceramics Wear resistance Mechanical strength Chemical corrosion-resistant 氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷。因为其优越的性能，在现代社会的应用已经越来越广泛，满足于日用和特殊性能的需要。[1] 1.硬度大经中科院上海硅酸盐研究所测定，其洛氏硬度为HRA80-90，硬度仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。 2.耐磨性能极好经中南大学粉末冶金研究所测定，其耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171.5倍。根据我们十几年来的客户跟踪调查，在同等工况下，可至少延长设备使用寿命十倍以上。

不锈钢表面金属陶瓷涂层技术

摘要 近年来，随着现代化工业的不断进步与发展，人们对于材料的性能要求越来越高，其中较为重要的一点便是材料的耐磨性。众所周知，磨损现象不论在科研实践还是日常生活中都是很常见的，并且若不及时更换调整便极有可能造成严重的安全事故。因此，如何提高易磨损材料的耐磨性能便显得尤为重要。 锌锅沉没辊是热浸镀锌设备中一种重要零件，我国锌锅沉没辊的辊轴与辊套需要从国外进口，不仅价格昂贵而且磨损严重，平均一周就需要更换一次设备，导致轧制的成本很高。所以锌锅沉没辊辊轴与辊套的耐磨性是一个越来越受到重视的问题。本设计旨在制备316L不锈钢表面的耐磨陶瓷涂层来缓解锌锅沉没辊的辊轴与辊套过于严重的磨损，以此延长锌锅沉没辊的辊轴与辊套的寿命，提高生产效率。 我们通常用表面合金化、表面形变强化、表面涂层强化等方法来提高材料耐磨性。本设计借助钎涂原理，分别以氧化铝和碳化钨作为陶瓷增强相材料，Ni82CrSiB合金为钎料，利用真空钎涂的方法制作出较为耐磨的陶瓷涂层，从而达到提高不锈钢表面耐磨性的要求。试验结果表明：氧化铝与钎料的润湿效果不够理想，在涂层中没能发现氧化铝相，即以氧化铝作为陶瓷增强相材料无法达到预期目标；而碳化钨颗粒在涂层中分布较均匀，涂层表面光滑，有金属光泽，并且与不锈钢表面冶金结合良好，硬度达到了不锈钢基体的6倍以上，有望大幅提高材料的耐磨性能。 关键词：金属陶瓷涂层；钎涂技术；硬度

Brazing Process of Metal-ceramic Coating on Stainless Steel Abstract In recent years, with the continuous progress and modernization of industrial development, people are increasingly demanding high-performance materials, one of the important points is the wear resistance. As we all know, the wear phenomena both in research and practice is still very common in daily life, and if not timely replacement of adjustments it is very likely result in serious accidents. Therefore, how to improve the wear resistance of the material is particularly important. The zinc pot sink roll is one of the important parts of hot dip galvanizing equipments. The bush of zinc pot sink rolls needs to be imported from abroad, and it is not only expensive but also badly worn., it needs to be replaced once per week, and that would lead to the high cost of rolling. Therefore, the wear resistance of the zinc pot sink roller bearing is a question with more and more attention. This design is in order to prepare the surface of 316L stainless steel wear-resistant ceramic coating to solve the zinc pot sink roll shaft and insert wear too serious problem to extend the life of the equipment and The main methods of improving the wear resistance for material are surface strain hardening, surface alloying, surface coating strengthened and so on. In this design, we use the braze coating principle, and make the Al2O3 and WC as ceramic reinforcement materials, Ni82CrSiB as the brazing. The method of using the vacuum braze coating to produce more wear-resistant ceramic coating, so as to improve wear resistance of the stainless steel surface requirements. The results showed that: The wetting effect of Al2O3 and brazing filler is not satisfactory, and we could not find alumina phase in the coating, that is to say, Al2O3 as the ceramic reinforcement materials can not achieve the desired goal. However, WC particles in the coating are distributed more evenly. The coating surface is smooth, with a metallic luster, and it is a good metallurgical bond with the stainless steel surface. Its hardness is more than 6 times the stainless steel substrate, and it can be required to improve the wear resistance. Key Words：metal-ceramic coating; braze coating process; hardness

陶瓷材料显微结构与性能

1陶瓷烧结过程中影响气孔形成的因素有哪些？ (1)煅烧温度过低、时间过低 (2)煅烧是时原料中的水碳酸盐、硫酸盐的分解或有机物的氧化 (3) 煅烧时炉内气氛的扩散 (4) 煅烧时温度过高，升温过快或窑内 气氛不合适等。 夏炎2.影响陶瓷显微结构的因素有哪些？ 参考答案：(1) 原料组成、粒度、配比、混料工艺等 (2) 成型方式、成型条件、制品形状等 (3)干燥制度（干燥方式、温度制度、气氛条件、压力条件等） (4) 烧成制度（烧成方式、窑炉结构、温度制度、气氛条件、压力条 件等） 3. 提高陶瓷材料强度及减轻其脆性有哪些途径？ 参考答案：a.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷。例如，采用热等静压烧结制成 的Si 3N 4 气孔率极低，其强度接近理论值。 b.在陶瓷表面引入压应力可提高材料的强度。钢化玻璃是成功应用这 一方法的典型例子。 c.消除表面缺陷，可有效地提高材料的实际强度。 d.复合强化。采用碳纤维、SiC纤维制成陶瓷/陶瓷复合材料，可有 效地改善材料的强韧性。 e.ZrO 2与增韧。ZrO 2 对陶瓷的强韧化的贡献有四种机理（相变增韧、微裂纹增韧、 裂纹偏转增韧、表面残余应力增韧）罗念 4.影响氧化锆相变增韧的因素是什么？简单叙述氮化硅陶瓷具有的性能及常用的烧结方法。 ①晶粒大小。当晶粒尺寸大于临界尺寸易于相变。若晶粒尺寸太小，相变也就难以进行。 ②添加剂及其含量使用不同的添加剂， t-ZrO2的可转变最佳晶粒大小、范围也不同。 ③晶粒取向。晶粒取向的不同而影响相变导致增韧的机制。 氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐化学溶液和熔体的腐蚀、高电绝缘体、低热膨胀和优良抗热冲击、抗机械冲击等性能。烧结方法：反应烧结氮化硅、无压烧结氮化硅、重烧结氮化硅、气氛加压氮化硅和热压烧结氮化硅。——李成5.气孔对功能陶瓷性能的影响及降低功能陶瓷中的气孔量的措施？ 气孔均可使磁感应强度、弹性模量、抗折强度、磁导率、电击穿强度下降，对畴运动造成钉扎作用，影响了铁电铁磁性。另外，少量气孔亦会严重降低透光性。添加物的引入不仅可阻止二次重结晶，亦可以使气孔由晶界排出。为了降低功能陶瓷中的气孔量，可采用通氧烧结，成型时增大粒子流动性提高生坯密度，研究玻璃相对主晶相的润湿等措施。韦珍海6.瓷轴基本上是一层玻璃体，但从显微结构的角度来看，它可以分成几大类釉层并举例说明其中一种的釉层特点？ 参考答案：釉层可为三大类：玻璃釉、析晶釉（或称结晶轴）和分相釉.以玻璃釉为例，玻璃釉一般是无色透明的，由硅酸盐玻璃所组成。釉层除了多少有些釉

氧化铝陶瓷制作工艺

氧化铝陶瓷介绍 来自:中国特种陶瓷网发布时间:2005-8-3 11:51:15 氧化铝陶瓷制作工艺简介 氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。高纯型氧化铝陶瓷系Ａｌ２Ｏ３含量在９９．９％以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达１６５０—１９９０℃，透射波长为１～６μｍ，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚：利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。普通型氧化铝陶瓷系按Ａｌ２Ｏ３含量不同分为９９瓷、９５瓷、９０瓷、８５瓷等品种，有时Ａｌ２Ｏ３含量在８０％或７５％者也划为普通氧化铝陶瓷系列。其中９９氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；９５氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；８５瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。其制作工艺如下： 一粉体制备： 郑州玉发集团是中国最大的白刚玉生产商，和中科院上海硅酸盐研究所成立玉发新材料研究中心研究生产多品种α氧化铝。专注白刚玉和煅烧α氧化铝近30年，因为专注所以专业，联系QQ2596686490，电话156390七七八八一。 将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。粉体粒度在１μｍ?微米?以下，若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在９９．９９％外，还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。采用挤压成型或注射成型时，粉料中需引入粘结剂与可塑剂，?一般为重量比在１０—３０％的热塑性塑胶或树脂?有机粘结剂应与氧化铝粉体在１５０—２００℃温度下均匀混合，以利于成型操作。采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂。若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加１～２％的润滑剂?如硬脂酸?及粘结剂ＰＶＡ。 欲干压成型时需对粉体喷雾造粒，其中引入聚乙烯醇作为粘结剂。近年来上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作Ａｌ２Ｏ３喷雾造粒的粘结剂，在加热情况下有很好的流动性。喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、密度松散，流动角摩擦温度小于３０℃。颗粒级配比理想等条件，以获得较大素坯密度。 二成型方法： 氧化铝陶瓷制品成型方法有干压、注浆、挤压、冷等静压、注射、流延、热压与热等静压成型等多种方法。近几年来国内外又开发出压滤成型、直接凝固注模成型、凝胶注成型、离心注浆成型与固体自由成型等成型技术方法。不同的产品形状、尺寸、复杂造型与精度的产品需要不同的成型方法。摘其常用成型介绍： １干压成型：氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状单纯且内壁厚度超过１ｍｍ，长

金属陶瓷

金 属 陶 瓷 材 料 2014级材料一班 王倩文 1430140512

目录 一、金属陶瓷的定义 (3) 二、金属陶瓷的特点 (4) 1.金属对陶瓷相的润湿性好。 (4) 2.金属相与陶瓷相应无剧烈的化学反应 (4) 3.金属相与陶瓷相的膨胀系数相差不会过大 (4) 三、金属陶瓷的行业现状 (5) 1.中国硬质合金工业产业分布、生产企业和研发机构 (5) 2.碳化钛基金属陶瓷 (5) 2.1 切削加工领域的应用 (6) 2.2 航天航空工业方面的应用 (6) 2.3 其他方面的应用 (7) 3.碳氮化钛基金属陶瓷 (8) 3.1 Ti(C,N)基金属陶瓷组分和成分设 (8) 3.2 晶粒细化 (9) 3.3 Ti(C,N)基金属陶瓷的应用 (9) 4.三元硼化物金属陶瓷 (10) 四、金属陶瓷的发展趋势 (11) 1.新材料的研究与开发。 (11) 2.超细晶粒和纳米级金属陶瓷。 (12) 3.梯度金属陶瓷的应用开发。 (12) 4.金属陶瓷回收再利用问题。 (12) 5.基础研究的发展。 (13)

材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。正是材料的使用、发现和发明，才使人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的今天。当今世界，能源、信息、材料已成为人类现代文明进步的标志，继金属、有机高分子材料以后，金属陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品种和广泛的用途进入各行各业，其发展之快，作用之大，令世人瞩目。金属陶瓷材料具有比强度高、比模量高、耐磨损、耐高温等优良性能，在众多场合已被作为新材料的代名词，成为现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防所不可缺少的重要部分，引起了世界各国尤其是发达国家的高度重视，纷纷投入巨资进行研究开发，把金属陶瓷材料作为本国高技术发展的一个重要领域。 一、金属陶瓷的定义 金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词Cermets来，是由Ceramic（陶瓷）和Metal（金属）结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界，所以具体材料也很难划分界线，从材料的组元看，“硬质合金”应该

铁电陶瓷

第四章铁电陶瓷 一、教学内容及要求 掌握铁电体的基本概念，理解电滞回线的形成，理解BaTiO3的结构与自发极化特性以及其介电性能的特点，掌握电畴的基本概念，电畴的成核与生长过程，180°畴和90°畴的异同。理解居里温区的相变扩张的机理，几种相变扩散的异同。掌握展宽效应，移动效应，重叠效应的作用机制。掌握铁电老化，铁电疲劳，去老化的概念。 二、基本内容概述 4.1概述 重点掌握的几个概念：自发极化、、剩余极化、、矫顽场、铁电体、电滞回线、电畴、铁电陶瓷 1、感应式极化：离子晶体中最主要的极化形式是电子位移极化和离子位移极化，这两种极化都属于感应式极化，极化强度大小依赖于外施电场。线性关系，E=0，P=0。 2、自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。非线性关系，E=0，P≠0。 3、铁电体(ferroelectric)：具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变的晶体。它们最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有电滞回线。 4、电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁电态下极化对电场关系的典型回线。 5、电畴（domain）：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。 6、畴壁（domain wall）：畴的间界。 7、铁电相变：铁电相与顺电相之间的转变。当温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变为顺电体。 8、居里温度（Curie temperature or Curie point）：铁电相变的温度。 9、铁电体的分类：1）按结晶化学；2）按力学性质；3）按相转变的微观机构；4）按极化轴多少。

《材料结构与性能》习题..

《材料结构与性能》习题 第一章 1、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图1.27所示一均一材料试样上的A点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的关系。并注出：t=0,t=∞以及t=τε（或τσ）时的纵坐标。

6、一Al2O3晶体圆柱（图1.28），直径3mm，受轴向拉力F ，如临界抗剪强度τc=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同 时计算在滑移面上的法向应力。 第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子

间距为1.6×10-8cm；弹性模量值从60到75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。 4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图2.41所示。如果E=380GPa，μ=0.24，求KⅠc值，设极限载荷达50㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为1400MPa，计算塑性区尺寸r0及其与裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KⅠc值的可能性。

氧化铝陶瓷制作及强化工艺

氧化铝陶瓷制作及强化工艺 氧化铝陶瓷制作工艺 氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99.9％以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650-1990℃，透射波长为1～6μm Al2O380％或75 ％外， 体原料则不需加入粘结剂。若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加1～2％的润滑剂？如硬脂酸？及粘结剂PVA. 欲干压成型时需对粉体喷雾造粒，其中引入聚乙烯醇作为粘结剂。近年来

上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作Al2O3喷雾造粒的粘结剂，在加热情况下有 很好的流动性。喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、密度松散，流动角摩擦温度 小于30℃。颗粒级配比理想等条件，以获得较大素坯密度。 二、成型方法： 氧化铝陶瓷制品成型方法有干压、注浆、挤压、冷等静压、注射、流延、 1mm， 15～ 60μm、介于 制备。通常以水为熔剂介质，再加入解胶剂与粘结剂，充分研磨之后排气，然后倒 注入石膏模内。由于石膏模毛细管对水分的吸附，浆料遂固化在模内。空心注浆时，在模壁吸附浆料达要求厚度时，还需将多余浆料倒出。为减少坯体收缩量、应尽量 使用高浓度浆料。 氧化铝陶瓷浆料中还需加入有机添加剂以使料浆颗粒表面形成双电层使料

浆稳定悬浮不沉淀。此外还需加入乙烯醇、甲基纤维素、海藻酸胺等粘结剂及聚丙烯胺、阿拉伯树胶等分散剂，目的均在于使浆料适宜注浆成型操作。 三、烧成技术： 将颗粒状陶瓷坯体致密化并形成固体材料的技术方法叫烧结。烧结即将坯体内颗粒间空洞排除，将少量气体及杂质有机物排除，使颗粒之间相互生长结合， 中。 硬度较高，需用更硬的研磨抛光砖材料对其作精加工。如SiC、B4C或金刚钻等。通常采用由粗到细磨料逐级磨削，最终表面抛光。一般可采用＜1μm微米的Al2O3微粉或金刚钻膏进行研磨抛光。此外激光加工及超声波加工研磨及抛光的方法亦可采用。有些氧化铝陶瓷零件需与其它材料作封装处理。 氧化铝陶瓷强化工艺

氧化铝陶瓷的发展与应用

氧化铝陶瓷的发展与应用 前言 氧化铝陶瓷具有机械强度高,绝缘电阻大,硬度高,耐磨、耐腐蚀及耐高温等一系列优良性能,其广泛应用于陶瓷、纺织、石油、化工、建筑及电子等各个行业,是目前氧化物陶瓷中用途最广、产销量最大的陶瓷新材料。 通常氧化铝陶瓷分为2 大类,一类是高铝瓷,另一类是刚玉瓷。高铝瓷是以Al2O3 和 SiO2 为主要成分的陶瓷,其中Al2O3 的含量在45 %以上,随着Al2O3 含量的增多,高铝瓷的各项性能指标都有所提高。由于瓷坯中主晶相的不同,又分为刚玉瓷、刚玉—莫来石瓷、莫来石瓷等。根据Al2O3 含量的不同,习惯上又称为75瓷、80 瓷、85 瓷、90 瓷、92 瓷、95 瓷、99 瓷等。高铝瓷的用途极为广泛,除了用作电真空器件和装置瓷外,还大量用来制造厚膜、薄膜电路基板,火花塞瓷体,纺织瓷件,晶须及纤维,磨料、磨具及陶瓷刀,高温结构材料等。目前市场上生产、销售和应用最为广泛的氧化铝陶瓷是Al2O3 含量在90 %以上的刚玉瓷。 1 原料 作为陶瓷原料主要成分之一的氧化铝在地壳中含量非常丰富,在岩石中平均含量为15. 34 % ,是自然界中仅次于SiO2 存量的氧化物。一般应用于陶瓷工业的氧化铝主要有2 大类,一类是工业氧化铝,另一类是电熔刚玉。 1. 1 工业氧化铝 工业氧化铝一般是以含铝量高的天然矿物铝土矿(主要矿物组成为铝的氢氧化物, 如一水硬铝石(xAl2O3·H2O> 、一水软铝石、三水铝石等氧化铝的水化物组成> 和高岭土为原料,通过化学法(主要是碱法,多采用拜尔法———碱石灰法> 处理,除去硅、铁、钛等杂质制备出氢氧化铝,再经煅烧而制得,其矿物成分绝大部分是γ- Al2O3 。 工业氧化铝是白色松散的结晶粉末,颗粒是由许多粒径< 0. 1μm 的γ- Al2O3 晶体组成的多孔球形聚集体,其孔隙率约为30 % ,平均粒径为40～70μm。工业氧化铝含量的质量标准见表1。 表1 工业氧化铝含量的质量标准(质量%> 1 级 2 级 3 级 4 级 5 级 Al2O3> 98. 60 ≮98. 50≮98. 40 ≮98. 30 ≮98. 20 SiO2 ≯0. 02 ≯0. 04 ≯0. 06 ≯0. 08 ≯0. 10 Fe2O3 < 0. 03 ≯0. 04 ≯0. 04 ≯0. 04 ≯0. 04 Na2O ≯0. 50 ≯0. 55 ≯0. 60 ≯0. 60 ≯0. 60 灼减< 0. 80 ≯0. 80 ≯0. 80 ≯0. 80 ≯1. 00 工业氧化铝的3 项主要杂质成分中,Na2O 及Fe2O3 将降低氧化铝瓷件的电性能,Na2O 的含量应<0. 5 %～0. 6 % ,Fe2O3 含量应< 0. 04 %。另外,在电真空瓷件中,工业氧化铝

氧化铝陶瓷制作工艺简介

无机非金属材料工艺学 无机非金属材料工艺学第三次作业 班级：材料科学与工程2班（非金属） 姓名：伍洋婷 学号：201211101076 2015年4月7日

氧化铝陶瓷生产技术工艺简介氧化铝陶瓷的低温烧结技术 氧化铝陶瓷是一种以Ａｌ ２Ｏ ３ 为主要原料，以刚玉（α—Ａｌ ２ Ｏ ３ ）为主晶相的 陶瓷材料。 一、通过提高Ａｌ ２Ｏ ３ 粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度。 目前，制备超细活化易烧结Ａｌ ２Ｏ ３ 粉体的方法分为二大类，一类是机械 法，另一类是化学法。机械法是用机械外力作用使Ａｌ ２Ｏ ３ 粉体颗粒细化，常用 的粉碎工艺有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、气流粉碎等等。通过机械粉碎方法来提高粉料的比表面积，尽管是有效的，但有一定限度，通常只能使粉料的平均粒径小至１μｍ左右或更细一点，而且有粒径分布范围较宽，容易带入杂质的 缺点。近年来，采用湿化学法制造超细高纯Ａｌ ２Ｏ ３ 粉体发展较快，其中较为成 熟的是溶胶—凝胶法。由于溶胶高度稳定，因而可将多种金属离子均匀、稳定地分布于胶体中，通过进一步脱水形成均匀的凝胶（无定形体），再经过合适的处理便可获得活性极高的超微粉混合氧化物或均一的固溶体。目前此法大致有以下３种工艺流程。 （１）形成金属氧有机基络合物溶胶→水解并缩合成含羟基的三度空间高分子结构→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成活性氧化物粉料。 （２）含有不同金属离子的酸盐溶液和有机胶混合成溶液→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成粉体。 （３）含有不同金属离子的溶胶直接淬火、沉积或加热成凝胶→低温煅烧成粉 体。湿化学法制备的Ａｌ ２Ｏ ３ 粉体粒径可达到纳米级，粒径分布范围窄，化学纯 度高，晶体缺陷多。因此化学法粉体的表面能与活性比机械法粉体要高得多。采 用这种超细Ａｌ ２Ｏ ３ 粉体作原料不仅能明显降低氧化铝瓷的烧结温度（可降１５ ０℃—３００℃），而且可以获得微晶高强的高铝瓷材料。表二是日本住友化学 有限公司生产的易烧结Ａｌ ２Ｏ ３ 粉料理化指标。 二、通过瓷料配方设计掺杂降低瓷体烧结温度 氧化铝陶瓷的烧结温度主要由其化学组成中Ａｌ ２Ｏ ３ 的含量来决定，Ａｌ ２ Ｏ ３ 含量越高，瓷料的烧结温度越高，除此之外，还与瓷料组成系统、各组成配 比以及添加物种类有关。比如，在Ａｌ ２Ｏ ３ 含量相当时，ＣａＯ－Ａｌ ２ Ｏ ３ －Ｓ ｉＯ ２系Ａｌ ２ Ｏ ３ 瓷料比ＭｇＯ－Ａｌ ２ Ｏ ３ －ＳｉＯ ２ 系瓷料的烧结温度低，对于 我国目前大量生产的ＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ ２Ｏ ３ －ＳｉＯ ２ 系统瓷料而言，为使 其具有较低的烧结温度与良好性能，应控制其ＳｉＯ ２ ／ＣａＯ处于1６～0６之内，ＭｇＯ含量不超过熔剂类氧化物总量的１／３，同时，在配方中引入少量的 Ｌａ ２Ｏ ３ 、Ｙ ２ Ｏ ３ 、Ｃｒ ２ Ｏ ３ 、ＭｎＯ、ＴｉＯ ２ 、ＺｒＯ 2 、Ｔａ ２ Ｏ ３ 等氧化物 能进一步降低烧结温度、改善瓷体的微观组织结构和性能。目前配方设计中所加入的各种添加剂，根据其促进氧化铝陶瓷烧结的作用机理不同，可以将它们分为形成新相或固溶体的添加剂和生成液相的添加剂二大类。 １、与Ａｌ ２Ｏ ３ 形成新相或固溶体的添加剂。 这类添加剂是一些与氧化铝晶格常数相接近的氧化物，如ＴｉＯ ２、Ｃｒ ２ Ｏ ３、Ｆｅ ２ Ｏ ３ 、ＭｎＯ ２ 等，在烧成中，这些添加物能与Ａｌ ２ Ｏ ３ 生成固溶体， 这类固溶体或为掺入固溶体（如Ｔｉ4+置换Ａｌ３＋时），或为有限固溶体，或为 连续固溶体（如Ｃｒ ２Ｏ ３ 与形成的Ａｌ ２ Ｏ ３ ），它们可以活化晶格（ＴＩ４＋、Ａ

MOCVD法制备金属陶瓷功能梯度材料的研究

第30卷　第4期西南师范大学学报(自然科学版)2005年8月Vol.30　No.4Journal of S outhwest China Normal University(Natural Science)Aug.2005 文章编号:10005471(2005)04068205 MOCV D法制备金属陶瓷功能梯度材料的研究① 章娴君1,　郑慧雯1,2,　张庆熙1,　王显祥3 11西南师范大学化学化工学院,重庆400715;21巴蜀中学,重庆400013; 31四川农业大学生命科学与理学院,四川雅安625014 摘要:利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法,以Mo(CO)6,Si(OC2H5)4为物源,在Al2O3陶瓷基片上制备了金属陶瓷功能梯度材料,并用XPS,XRD,SEM等技术对其成分分布,物相组成和表面形貌进行测试和表征.结果表明:材料的组成沿厚度方向呈连续梯度变化,符合功能梯度材料的变化规律. 关　键　词:功能梯度材料(F GM);金属有机化学气相沉积(MOCVD);X射线光电子能谱(XPS);表面形貌 中图分类号:TB34文献标识码:A 金属陶瓷功能梯度材料(F GM)是针对高温、热循环和大温度落差的工作条件而开发的一类新型超耐热材料[14].材料一侧为耐高温、耐热冲刷特性的陶瓷材料,另一侧为具有高强度、高韧性的金属材料,其间为金属/陶瓷过渡层.由于材料微观结构沿某一个或某几个特定的方向呈连续变化,从而消除了由于金属和陶瓷物性参数的巨大差异而在材料内部产生的热应力界面,达到缓和热应力和耐热隔热的目的.因而,金属陶瓷功能梯度材料(F GM)是一类很有希望用于宇航、核能等高技术领域的新型复合材料[5].目前国内外已制备出的金属/陶瓷F GM有TiN2TiC,ZrO22Ni,TiAl2Cu,ZrO22Ti6Al4,SiC2Al,TiC2Ni,YSZ2 Ni,YSZ2Ni2Nb等[6].但还未见用化学气相沉积的方法制备Mo/SiO2功能梯度材料的相关报道. 本文以Mo(CO)6,Si(OC2H5)4为物源,采用功能梯度材料(F GM)的设计思想,利用MOCVD技术,通过改变沉积温度,沉积气压和反应气源中各组分的成份比来调节和控制薄膜的组织和成份,使之发生连续变化来制备Mo/SiO2功能梯度材料,并以XPS,XRD,SEM等技术研究该材料的成分分布,物相组成和表面形貌. 1　实 验 111　材料的成分设计 SiO2和Mo的热学和物理性能如表1.由表1可见,SiO2和Mo物理性质相差很大,尤其是热性能不匹配,会使不连续的梯度层间产生很大热应力.采用功能梯度材料(F GM)的逆设计思想,能获得合理组分构成的梯度层设计,有利于材料结构性能的平缓过渡,即可解决上述难题.设计中,假定Mo/SiO2功能梯度材料由5层组成,每层梯度材料是由均匀的SiO2和Mo构成,表面层为纯金属Mo,最底层为纯陶瓷SiO2,中间为过渡层.采用公式C=(x/d)p计算不同梯度层各成分的含量[7],其中:C为体积分数,x为各梯度层与表面层之间的距离,d为样品的厚度,p为成分分布指数.在本实验中,经理论分析p=1为最佳取值,计算所得各梯度层的最佳成份分布如图1所示. ①收稿日期:20040725 基金项目:重庆市攻关资助项目. 作者简介:章娴君(1944),女,四川成都人,教授,主要从事有机新材料研究.

梯度功能材料讲稿

梯度功能材料 一、引言 许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的性能应随构件中的位置而不同。例如，民用或军用刀具都只需其刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性；一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨；涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。诸如此类，可以发现现在应用的许多材料都是属于这个范畴。众所周知，构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中，无论该应力是内部的还是外加的。但人们同样知道，如果从一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大大地降低。为了减少材料的应力集中，提高材料的性能，人们发展了一种新型的功能梯度材料(Functionaily Gradient Materials，简称FGM)。虽然FGM 产生的时间不长，但很快引起世界各国科学家的极大兴趣和关注。日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许多国家相继开展FGM的研究。其应用已扩展到宇航．核能源、电工材料、光学工程、化学工业、生物医学工程等各个领域中。 二、梯度功能材料的发展 梯度功能材料(FGM)是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)一体的新型材料，其结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。 梯度功能材料其实早就出现在自然界中。神奇的大自然早制造出多种梯度材料。例如，竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。但是，在生命体中的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大的差异。有生命的“FGMs”也是“有智能的”，它们能够感受所处环境的变化(包括局部的应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。 人造梯度功能材料并不是新的事物，只不过人们没有意识到而已。人类制造的钢制器件实质就是一种功能梯度材料。1900年，美国的伍德用明胶作成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射材料。由于制作工艺没有解决，未能得到实际应用，没有引起人们的注意。1969年，日本板玻璃公司的北野等人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射棒材和光纤，达到了实用水平，梯度折射率材料的研究才迅速发展起来，研究的国家也从美国和日本扩展到二十几个国家。 1972年，Bever和Duwez提出了功能梯度这个概念。功能梯度材料作为一个规范化正式概念于1984由日本国力宇航实验室提出。由于航天飞机中，燃烧室内外表面的温差达到1000K以上，普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。一系列政府报告论述了日本在以太空飞机为重点的航天研究中所预计的材料需求，结论是鉴于对高温结构件的许多严格要求，需要在结构中仔细地引入成分和微观结构梯度，不但能最全面地利用已有材料去生产所需要的构件，还能避免由于外加应力或温度变化而在不同材料的锐利界面上引起的应力和(或)应变集中。1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续性变化的热防护梯度功能材料的概念。同年，日本科技厅制定了有关FGMs的一项庞大计划，主要研究一边处于冷却而另一边处于炙热环境下的部件的特殊要求。1990

铁电材料性能研究

●总的看来，与其它各类阴极相比，铁电阴极具有自身独特的技术优势： (1) 铁电阴极可在常温下实现激励且伴生有空间电荷平衡的等离子体环 境，使得电子束具有非常小的发散角度和较高的束亮度，所以铁电 阴极又常称作铁电冷阴极(ferroelectric cold cathode)； (2) 通过阴极表面覆盖金属膜形状的设计，容易产生不同的束截面形状； (3) 铁电材料不怕“中毒”，因而对真空环境要求不苛刻； (4) 铁电材料价格低廉，易于制作，结构紧凑，坚固可靠； (5) 铁电冷阴极材料是绝缘体，功函数较低，因而可在较低的萃取电场 作用下实现电子发射；(6) 铁电体的快极化反转理论上可产生5 210 A/cm 量级的最大电流密度，远远超过了热电子阴极和激光照射的光电阴极电子源。 (7) 发射电子能量高 由周期性的自发极化反转产生的铁电体电子发射可用于新型的平面显示器。电子发射出现于电极形状决定的极化区域。因此，铁电显示器可做成投射型显示器，即通过投射转换把整幅图像一次性转换成电信号，而这对于一般场电子发射显示系统是不可能的。铁电陶瓷平板显示技术与其他一些平板显示技术相比,具有许多优点。铁电陶瓷板和铁电薄膜制备工艺较为简单,成本较低,可有效降低平板显示器的制造成本。同时可以根据需要制作出各种尺寸和形状的陶瓷板或薄膜,易于制作出大尺寸的平板显示器,满足市场的需要。现代陶瓷制备技术和薄膜制备技术可以保证制造出高度均匀的铁电陶瓷板和铁电薄膜,使得其在铁电发射时能均匀地发射电子,保证显示器亮度的均匀性。用铁电陶瓷或薄膜代替场致发射显示器中的微尖端场发射阵列,可以避免因微尖端场发射阵列制备不均匀而带来的显示器亮度不均问题。 ●铁电阴极发射的机理主要有两种： 1、快速极化反转引起的电子发射 这种理论认为铁电材料具有自发极化强度 P，在平衡状态下，这种自发极化被表面电荷屏蔽。当施加外电场，机械压力，或者温度发生变化，都会导致 P 的反转，这时铁电材料表面原来的屏蔽电荷就会转变为非补偿性电荷，这种非补偿性

陶瓷_金属梯度热障涂层圆筒的传热与热应力有限差分分析

第26卷　第3期2002年6月 武汉理工大学学报(交通科学 与工程版 ) Journal of Wuhan University of Technolo gy (T r anspo rtat ion Science&Engineer ing) V ol.26　N o.3 June2002 陶瓷/金属梯度热障涂层圆筒的传热 与热应力有限差分分析* 刘　杰　肖金生　覃　峰　崔东周 (武汉理工大学能源与动力工程学院　武汉　430063) 摘要:推导了多层陶瓷梯度涂层圆筒模型的温度和热应力分布,对变物性材料的差分解法进行了 分析,并与实际的工程模型进行了对比计算,有限差分解和有限元解能够很好地吻合. 关键词:热障涂层;功能梯度材料;有限差分;热应力 中图法分类号:U664.12;O241.84 基于提高内燃机的经济性和可靠性的考虑, 近年来陶瓷/金属梯度热障涂层及其在内燃机中 的应用研究受到了广泛的重视[1,2].梯度热障涂层 可充分利用两种材料的优良特性,提高内燃机性 能.但涂层在交变热应力作用下仍易脱落破坏,所 以研究涂层工作条件下不同时刻不同涂层材料的 热应力分布有重要的意义[3],文中着重对热应力 的差分解与解析解、有限元解进行比较研究. 1　陶瓷/金属梯度热障涂层圆筒的 传热分析 1.1　陶瓷/金属梯度热障涂层的多层圆筒模型 图1所示为涂层在内的四层圆筒模型,层1 为纯陶瓷层,层2为陶瓷/金属梯度层,层3为过 渡金属层,层4为基体金属层.采用柱坐标系,r 为径向,z为轴向. 1.2　陶瓷/金属梯度圆筒传热分析的解析解 对图1所示的四层圆筒模型,假设圆筒为无 限长,两端绝热,且处于稳态温度场中.所以圆筒 内各点的温度T与z及时间t无关.由傅里叶热 传导方程写出多层圆筒模型的稳态热传导方程为 d d r [r i(r) d T i(r) d r ]=0 R i-1≤r≤R i,i=1,2,3,4( 1) 图1　陶瓷梯度涂层的多层圆筒模型 将圆筒沿半径方向分成n个薄层,各层厚度 任意,但要求每层内的物性可近似取为常数.假设 内边界的表面传热系数为h a,流体的温度为T f a; 外边界的换热系数为h b,流体的温度为T f b.如果 是第一类边界条件,可将相应的换热系数取为近 似无限大即可.因为每层可以认为是均质的,所以 导热系数在每一层内是常数.设第i层的导热系 数为 i,则由各层界面间的热流连续条件,可导出 圆筒模型内的温度分布为 T(r)=T f a+A(T f b-T f a)( 1 R0h a + ∑s i=1 ln(r i/r i-1) i+ ln(r/r s) s+1)(2)式中 A=[ 1 R0h a+ ∑n i=1 ln(r i/r i-1) i+ 1 R4h b] -1 收稿日期:20020401 刘　杰:男,25岁,硕士,主要研究领域为陶瓷/金属梯度热障涂层、轮机工程仿真与CAD *交通部重点科技项目资助(批准号:95040332)