KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 精细仿生结构氧化铝复合材料的设计、制备与性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
戴杰
| |
| Thesis Advisor | 张永胜 |
| 2019-05-27 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学硕士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 氧化铝 仿生结构 界面设计 双向冷冻铸造 力学性能 Alumina Bionic structure Interface design Bidirectional freezing cast Mechanical properties |
| Abstract | 陶瓷复合材料的仿生层状结构设计能够有效克服传统结构陶瓷因“缺陷敏感性”而易脆断的不足，显著降低了其作为结构部件在服役过程中灾难性破坏的发生，可有效提高整机的安全可靠性，被认为是解决陶瓷材料脆性问题的有效途径之一，极具应用前景和实用价值。目前，陶瓷材料的仿生设计主要集中在宏观尺度上的层状结构仿生，在多尺度、精细结构仿生及其摩擦学性能的研究方面鲜有报道。本论文基于贝壳多尺度精细仿生结构和润滑功能一体化设计理念，成功制备了具有“砖-桥-泥”和大尺度定向的氧化铝基层状自润滑复合材料，系统研究了成型工艺、结构参数和组分的调控对多尺度精细仿生结构氧化铝陶瓷材料的力学性能、摩擦学性能及界面可靠性的影响规律和作用机制。获得主要结论如下： （1）采用激光微加工技术辅助铺层-热压烧结法制备了层间矿物桥结构参数可控的Al2O3/graphite层状自润滑材料。通过改变矿物桥结构参数可以有效调控裂纹在材料界面的扩展路径与阻滞机制，显著提高层间界面结合强度，实现仿生层状氧化铝复合材料强度与韧性的统一。优化后具有“砖–桥–泥”结构的Al2O3/graphite层状材料的抗弯强度和断裂韧性可高达435MPa和5.1MPa∙m1/2，分别是普通层状陶瓷的6.2倍和1.3倍。此外，层间矿物桥结构可以有效防止界面润滑相因高温氧化流失导致界面开裂现象的发生，大幅提升层状材料的服役可靠性。 （2）基于双向冷冻铸造技术，通过调节陶瓷浆料组分及成型工艺参数，实现了氧化铝陶瓷大尺度定向的层状结构及矿物桥微结构的精细构筑与可控制备。在成型模具底部添加隔热楔形块作为双向温度梯度引入方式，通过优化楔形角度来调控冰晶生长模式，制备出厘米级大尺度上片层规整的Al2O3陶瓷骨架，与传统冷冻铸造法制得的陶瓷骨架相比，增大1~2个数量级。此外，通过调节陶瓷浆料的固相含量、冷冻温度或引入分散剂、陶瓷纤维，可进一步改善浆料的物理性质和冰晶前沿生长进程，进而实现层状陶瓷骨架的层片厚度、层间距和层间矿物桥的调控。 （3）基于多级次、大尺度精细结构的氧化铝陶瓷骨架，结合水热反应法和真空浸渍法在骨架中成功原位合成了纳米级MoS2、BaMoO4固体润滑剂，发展了一种新的精细仿生陶瓷基自润滑复合材料的制备工艺。利用陶瓷骨架的高承载、MoS2微球的滑动摩擦以及不同温度段内具有优异润滑性能的MoS2和BaMoO4的协同润滑作用，实现材料从室温至800°C宽温域温度范围内的自润滑，摩擦系数可保持在0.3~0.7之间。此外，该工艺有效避免了低熔沸点固体润滑剂在常规烧结工艺中易分解、流失等不足，保持了精细仿生陶瓷骨架的宏微观结构的完整性。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25256 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 戴杰. 精细仿生结构氧化铝复合材料的设计、制备与性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
| Files in This Item: | ||||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| 201933戴杰.pdf（5319KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment