本文關(guān)鍵詞：ZrN陶瓷的致密化行為及力學(xué)性能研究

  更多相關(guān)文章： 致密化行為 氮化鋯 微觀組織結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能

【摘要】：ZrN具有高熔點(diǎn),高熱導(dǎo)率,耐侵蝕的特點(diǎn),又因其與錒系元素良好的相溶性使ZrN可以用作第四代核反應(yīng)堆的燃料基體。ZrN高熔點(diǎn),高鍵能,低自擴(kuò)散系數(shù)的特點(diǎn)使其難以燒結(jié),而核燃料易揮發(fā)性導(dǎo)致有必要通過(guò)添加劑有效降低ZrN的燒結(jié)溫度。本文系統(tǒng)研究了分別以金屬Zr,酚醛樹(shù)脂和B4C為添加劑的ZrN陶瓷的致密化行為。運(yùn)用阿基米德法、XRD,SEM,EDS等測(cè)試方法和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度,維氏硬度、壓痕法等表征手段,對(duì)ZrN陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中的致密化行為,擴(kuò)散特性,化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。不同含量的金屬Zr與ZrN通過(guò)缺陷反應(yīng)形成了缺氮的非化學(xué)計(jì)量比化合物ZrN1-x,并以Zr2N為缺陷反應(yīng)的中間產(chǎn)物。由N原子空位主導(dǎo)的晶格擴(kuò)散受到缺陷濃度的影響,因此ZrN1-x中,隨著N空位的增加,致密化溫度逐漸降低:計(jì)量比每降低0.1,致密化溫度降低100oC左右。對(duì)比熱壓燒結(jié)和無(wú)壓燒結(jié)的ZrN1-x陶瓷,由于壓力對(duì)于空位化學(xué)勢(shì)的顯著作用,熱壓燒結(jié)后試樣的致密度要明顯大于無(wú)壓燒結(jié)。N空位對(duì)于晶格擴(kuò)散傳質(zhì)的促進(jìn)顯著增加了晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力,因此在ZrN1-x陶瓷中均出現(xiàn)不同程度的晶粒長(zhǎng)大。由于晶粒尺寸的增大和ZrN0.7中Zr2N脆性相的出現(xiàn),導(dǎo)致ZrN1-x陶瓷的韌性較低,其中ZrN0.9試樣的斷裂韌性為2.6±0.2MPa·m1/2。兩步法燒結(jié)工藝導(dǎo)致ZrN1-x陶瓷晶粒粗化,氣孔率增加,對(duì)于不同計(jì)量比ZrN1-x陶瓷,兩步法對(duì)于其致密度和晶粒尺寸的影響的趨勢(shì)相同。通過(guò)酚醛樹(shù)脂向ZrN中引入C,ZrN陶瓷的致密度得到提升。體系中C通過(guò)進(jìn)入ZrN晶格中形成ZrCxNy,N原子與粉體中ZrO2反應(yīng)形成存在于晶界處的ZrOx’Ny’固溶體。通過(guò)Zener模型驗(yàn)證了晶界處的ZrOx’Ny’第二相有通過(guò)晶界釘扎顯著抑制ZrN的晶粒長(zhǎng)大的作用。隨著C含量的增加,由于細(xì)晶強(qiáng)化和ZrN晶界的強(qiáng)度增加,添加5mol.%C的ZrN陶瓷的強(qiáng)度為333±48MPa。B4C通過(guò)與ZrN和ZrO2雜質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)而促進(jìn)了ZrN陶瓷的燒結(jié),試樣達(dá)到了完全致密。最終產(chǎn)物為非化學(xué)計(jì)量比ZrN和C的固溶體ZrCxNy、ZrB2和BN,B4C含量為1mol.%,5mol.%,10mol.%,20mol.%時(shí),x和y的值分別為0.01,0.10,0.18,0.33和0.99,0.94,0.87,0.66。添加10mol.%的B4C的使試樣中存在一定數(shù)量的Zr B2板狀晶,對(duì)ZrN陶瓷起到了增強(qiáng)的作用,其抗彎強(qiáng)度達(dá)到了524±28MPa。
【關(guān)鍵詞】：致密化行為 氮化鋯 微觀組織結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ174.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-33
• 1.1 課題背景9
• 1.2 鋯的氮化物，硼化物9-12
• 1.2.1 氮化鋯（ZrN）的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)9-11
• 1.2.2 二硼化鋯（ZrB_2）的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)11-12
• 1.3 陶瓷固相燒結(jié)機(jī)理12-26
• 1.3.1 燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力13-14
• 1.3.2 點(diǎn)缺陷的形成，擴(kuò)散和化學(xué)勢(shì)14-18
• 1.3.3 離子晶體擴(kuò)散模型18-20
• 1.3.4 燒結(jié)動(dòng)力學(xué)模型20-23
• 1.3.5 晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)23-26
• 1.4 影響ZrN陶瓷燒結(jié)性能的因素26-31
• 1.4.1 純ZrN陶瓷的燒結(jié)性能26
• 1.4.2 ZrN晶格中的N缺陷的形成及作用26-27
• 1.4.3 燒結(jié)氣氛對(duì)ZrN陶瓷燒結(jié)性能的影響27-28
• 1.4.4 添加劑對(duì)ZrN陶瓷燒結(jié)性能的影響28-31
• 1.5 本課題研究的目的、意義及主要內(nèi)容31-33
• 第2章 試驗(yàn)材料與研究方法33-41
• 2.1 原材料33-34
• 2.2 材料制備34-38
• 2.2.1 混料技術(shù)34-35
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)35-37
• 2.2.3 熱壓燒結(jié)37
• 2.2.4 試樣加工37-38
• 2.3 物相分析和顯微組織觀察38-39
• 2.3.1 試樣密度和氣孔率測(cè)試38-39
• 2.3.2 XRD物相分析39
• 2.3.3 SEM觀察39
• 2.3.4 晶粒尺寸測(cè)量39
• 2.4 力學(xué)性能測(cè)試39-41
• 2.4.1 抗彎強(qiáng)度及彈性模量測(cè)定39-40
• 2.4.2 維氏硬度和斷裂韌性測(cè)定40-41
• 第3章 Zr含量與燒結(jié)工藝對(duì)ZrN陶瓷致密化行為及力學(xué)性能的影響41-59
• 3.1 ZrN陶瓷的XRD物相表征41-42
• 3.2 Zr含量對(duì)ZrN陶瓷致密度的影響42-43
• 3.3 Zr含量對(duì)ZrN陶瓷致密化行為的影響43-48
• 3.3.1 ZrN陶瓷的致密化行為43-45
• 3.3.2 N原子擴(kuò)散行為45-47
• 3.3.3 外加壓力對(duì)ZrN陶瓷致密度的影響47-48
• 3.4 Zr含量對(duì)ZrN陶瓷顯微組織的影響48-52
• 3.5 添加劑Zr對(duì)ZrN力學(xué)性能的影響52-53
• 3.6 兩步法燒結(jié)工藝（TSS）對(duì)Zr N_(1-x)陶瓷微觀組織的影響53-57
• 3.6.1 兩步法燒結(jié)ZrN_(1-x)陶瓷的物相表征54
• 3.6.2 兩步法燒結(jié)ZrN_(1-x)陶瓷致密度與晶粒尺寸的關(guān)系54-57
• 3.7 本章小結(jié)57-59
• 第4章 添加劑碳對(duì)ZrN陶瓷致密化行為，，顯微組織及力學(xué)性能的影響59-71
• 4.1 添加劑碳含量對(duì)ZrN陶瓷致密化行為的影響59-68
• 4.1.1 添加劑碳含量對(duì)ZrN陶瓷物相的影響59-62
• 4.1.2 添加劑碳含量對(duì)ZrN陶瓷致密度的影響62-64
• 4.1.3 ZrN陶瓷的致密化行為，顯微組織和晶粒生長(zhǎng)64-68
• 4.2 添加劑碳含量對(duì)ZrN陶瓷力學(xué)性能的影響68-70
• 4.3 本章小結(jié)70-71
• 第5章 添加劑B_4C對(duì)ZrN陶瓷致密化行為，顯微組織及力學(xué)性能的影響71-86
• 5.1 ZrN體系固相反應(yīng)研究71-75
• 5.2 B_4C含量對(duì)ZrN陶瓷致密化行為及顯微組織的影響75-82
• 5.2.1 B_4C含量對(duì)ZrN陶瓷物相的影響75-77
• 5.2.2 B_4C含量對(duì)ZrN陶瓷密度及開(kāi)氣孔率的影響77-78
• 5.2.3 添加B_4C的ZrN陶瓷的致密化行為78-80
• 5.2.4 B_4C含量對(duì)ZrN陶瓷顯微組織的影響80-82
• 5.3 B_4C含量對(duì)ZrN陶瓷力學(xué)性能的影響82-84
• 5.4 本章小結(jié)84-86
• 結(jié)論86-87
• 參考文獻(xiàn)87-91
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文91-93
• 致謝93

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張吟秋;李美英;雷長(zhǎng)明;;彌散強(qiáng)化銅致密化研究[J];中南礦冶學(xué)院學(xué)報(bào);1983年04期

2 王爾德;張連洪;霍文燦;;粉末多孔體的塑性泊松比與致密化方程[J];粉末冶金技術(shù);1987年01期

3 王強(qiáng),赫冀成,張廷安;燃燒合成(CS)過(guò)程的致密化研究[J];材料導(dǎo)報(bào);1997年05期

4 吉洪亮,堵永國(guó),張為軍;W/Cu、Mo/Cu合金的致密化技術(shù)[J];電工材料;2001年03期

5 費(fèi)誠(chéng);;新型粉末冶金氣門座的致密化過(guò)程研究[J];中小企業(yè)管理與科技(下旬刊);2011年09期

6 王爾德;霍文燦;涂光純;張連洪;;金屬粉末塑性變形致密化過(guò)程的試驗(yàn)研究[J];金屬科學(xué)與工藝;1985年01期

7 李景仁;;高鋁礬土感應(yīng)爐坩堝的致密化燒結(jié)工藝[J];河北工學(xué)院學(xué)報(bào);1991年02期

8 施劍林;固相燒結(jié)——Ⅲ實(shí)驗(yàn): 超細(xì)氧化鋯素坯燒結(jié)過(guò)程中的晶粒與氣孔生長(zhǎng)及致密化行為[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);1998年01期

9 蔡一湘,劉伯武;鎢銅復(fù)合材料致密化問(wèn)題和方法[J];粉末冶金技術(shù);1999年02期

10 楊海濤，楊國(guó)濤,袁潤(rùn)章;Si_3N_4-MgO-CeO_2陶瓷燒結(jié)過(guò)程中的致密化與相變[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1999年05期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前8條

1 傅正義;;陶瓷材料的SHS超快速致密化技術(shù)(英文)[A];《硅酸鹽學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊50周年暨中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（一）[C];2007年

2 韓翠珍;張胤;王剛;;噴射沉積坯GCr15合金的致密化研究[A];第十三屆（2009年）冶金反應(yīng)工程學(xué)會(huì)議論文集[C];2009年

3 劉曉明;賀朝君;汪維金;楊寧;朱玉斌;;Mo-15Cu薄板坯液相燒結(jié)的致密化行為[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（2）[C];2007年

4 趙海燕;姚中;虞維揚(yáng);黃劍;;燒結(jié)FeSiAl致密化過(guò)程研究[A];第四屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2001年

5 傅正義;;陶瓷與復(fù)相陶瓷的超快速致密化技術(shù)研究[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間材料專業(yè)委員會(huì)2011學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2011年

6 單英春;徐久軍;朱新河;黃秋鳳;嚴(yán)立;;熱壓BN摻雜SiAlON陶瓷的致密化過(guò)程研究[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（10）[C];2007年

7 白瑞成;任慕蘇;張家寶;李紅;劉育太;孫晉良;;ICVI工藝因素對(duì)C/C復(fù)合材料致密化的影響[A];第十五屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2008年

8 王崇琳;鄭啟;姜文斌;李洪錫;;高速鋼粉末低壓熱壓之研究[A];第五屆海峽兩岸粉末冶金技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2004年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

1 劉瀟;鐵基燒結(jié)材料表面滾壓致密化技術(shù)及其摩擦磨損和滾動(dòng)疲勞性能[D];華南理工大學(xué);2016年

2 劉國(guó)承;金屬粉末熱等靜壓致密化數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D];華中科技大學(xué);2011年

3 王德廣;金屬粉末高致密化成形及其數(shù)值模擬研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2010年

4 楊鑫;放電等離子燒結(jié)制備鈦鋁基合金及致密化機(jī)理研究[D];中南大學(xué);2012年

5 李達(dá);納米和亞微米氧化鈦陶瓷燒結(jié)曲線及燒結(jié)機(jī)理研究[D];青島大學(xué);2008年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張翰超;ZrN陶瓷的致密化行為及力學(xué)性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

2 沈紅仁;添加Ti對(duì)MIM HK30力學(xué)性能和致密化速率的影響[D];中南大學(xué);2012年

3 郭鵬;添加劑及制備工藝對(duì)ZrO_2致密化影響的研究[D];機(jī)械科學(xué)研究總院;2010年

4 綦亮;金屬陶瓷納米復(fù)合粉體的燒結(jié)和致密化機(jī)理[D];山東大學(xué);2008年

5 邵渭泉;α-Al_2O_3的恒速無(wú)壓燒結(jié)機(jī)理研究[D];青島大學(xué);2006年

6 周倩;HfB_2/AlN致密化研究[D];山東理工大學(xué);2014年

7 包晗;超高溫條件下陶瓷致密化探索性研究[D];武漢理工大學(xué);2011年

8 石金磊;噴射沉積6066Al/SiC_P梯度復(fù)合材料的制備及致密化工藝研究[D];湖南大學(xué);2011年

9 王凱;梯溫楔壓對(duì)噴射沉積SiC_p/7090鋁基復(fù)合材料致密化的影響[D];湖南大學(xué);2008年

10 王勇;SPS制備石墨/銅導(dǎo)電材料燒結(jié)機(jī)理及微觀界面特征的研究[D];長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué);2015年

本文編號(hào)：613073