本文關鍵詞：ZrN陶瓷的致密化行為及力學性能研究

  更多相關文章： 致密化行為 氮化鋯 微觀組織結構 力學性能

【摘要】：ZrN具有高熔點,高熱導率,耐侵蝕的特點,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堆的燃料基體。ZrN高熔點,高鍵能,低自擴散系數的特點使其難以燒結,而核燃料易揮發(fā)性導致有必要通過添加劑有效降低ZrN的燒結溫度。本文系統(tǒng)研究了分別以金屬Zr,酚醛樹脂和B4C為添加劑的ZrN陶瓷的致密化行為。運用阿基米德法、XRD,SEM,EDS等測試方法和三點彎曲強度,維氏硬度、壓痕法等表征手段,對ZrN陶瓷在燒結過程中的致密化行為,擴散特性,化學反應過程及力學性能進行了研究。不同含量的金屬Zr與ZrN通過缺陷反應形成了缺氮的非化學計量比化合物ZrN1-x,并以Zr2N為缺陷反應的中間產物。由N原子空位主導的晶格擴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:計量比每降低0.1,致密化溫度降低100oC左右。對比熱壓燒結和無壓燒結的ZrN1-x陶瓷,由于壓力對于空位化學勢的顯著作用,熱壓燒結后試樣的致密度要明顯大于無壓燒結。N空位對于晶格擴散傳質的促進顯著增加了晶粒長大的動力,因此在ZrN1-x陶瓷中均出現不同程度的晶粒長大。由于晶粒尺寸的增大和ZrN0.7中Zr2N脆性相的出現,導致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。兩步法燒結工藝導致ZrN1-x陶瓷晶粒粗化,氣孔率增加,對于不同計量比ZrN1-x陶瓷,兩步法對于其致密度和晶粒尺寸的影響的趨勢相同。通過酚醛樹脂向ZrN中引入C,ZrN陶瓷的致密度得到提升。體系中C通過進入ZrN晶格中形成ZrCxNy,N原子與粉體中ZrO2反應形成存在于晶界處的ZrOx’Ny’固溶體。通過Zener模型驗證了晶界處的ZrOx’Ny’第二相有通過晶界釘扎顯著抑制ZrN的晶粒長大的作用。隨著C含量的增加,由于細晶強化和ZrN晶界的強度增加,添加5mol.%C的ZrN陶瓷的強度為333±48MPa。B4C通過與ZrN和ZrO2雜質的化學反應而促進了ZrN陶瓷的燒結,試樣達到了完全致密。最終產物為非化學計量比ZrN和C的固溶體ZrCxNy、ZrB2和BN,B4C含量為1mol.%,5mol.%,10mol.%,20mol.%時,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量的Zr B2板狀晶,對ZrN陶瓷起到了增強的作用,其抗彎強度達到了524±28MPa。
【關鍵詞】：致密化行為 氮化鋯 微觀組織結構 力學性能
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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）的結構與性質9-11
• 1.2.2 二硼化鋯（ZrB_2）的結構與性質11-12
• 1.3 陶瓷固相燒結機理12-26
• 1.3.1 燒結驅動力13-14
• 1.3.2 點缺陷的形成，擴散和化學勢14-18
• 1.3.3 離子晶體擴散模型18-20
• 1.3.4 燒結動力學模型20-23
• 1.3.5 晶粒生長動力學23-26
• 1.4 影響ZrN陶瓷燒結性能的因素26-31
• 1.4.1 純ZrN陶瓷的燒結性能26
• 1.4.2 ZrN晶格中的N缺陷的形成及作用26-27
• 1.4.3 燒結氣氛對ZrN陶瓷燒結性能的影響27-28
• 1.4.4 添加劑對ZrN陶瓷燒結性能的影響28-31
• 1.5 本課題研究的目的、意義及主要內容31-33
• 第2章 試驗材料與研究方法33-41
• 2.1 原材料33-34
• 2.2 材料制備34-38
• 2.2.1 混料技術34-35
• 2.2.2 實驗方案設計35-37
• 2.2.3 熱壓燒結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 晶粒尺寸測量39
• 2.4 力學性能測試39-41
• 2.4.1 抗彎強度及彈性模量測定39-40
• 2.4.2 維氏硬度和斷裂韌性測定40-41
• 第3章 Zr含量與燒結工藝對ZrN陶瓷致密化行為及力學性能的影響41-59
• 3.1 ZrN陶瓷的XRD物相表征41-42
• 3.2 Zr含量對ZrN陶瓷致密度的影響42-43
• 3.3 Zr含量對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原子擴散行為45-47
• 3.3.3 外加壓力對ZrN陶瓷致密度的影響47-48
• 3.4 Zr含量對ZrN陶瓷顯微組織的影響48-52
• 3.5 添加劑Zr對ZrN力學性能的影響52-53
• 3.6 兩步法燒結工藝（TSS）對Zr N_(1-x)陶瓷微觀組織的影響53-57
• 3.6.1 兩步法燒結ZrN_(1-x)陶瓷的物相表征54
• 3.6.2 兩步法燒結ZrN_(1-x)陶瓷致密度與晶粒尺寸的關系54-57
• 3.7 本章小結57-59
• 第4章 添加劑碳對ZrN陶瓷致密化行為，，顯微組織及力學性能的影響59-71
• 4.1 添加劑碳含量對ZrN陶瓷致密化行為的影響59-68
• 4.1.1 添加劑碳含量對ZrN陶瓷物相的影響59-62
• 4.1.2 添加劑碳含量對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64-68
• 4.2 添加劑碳含量對ZrN陶瓷力學性能的影響68-70
• 4.3 本章小結70-71
• 第5章 添加劑B_4C對ZrN陶瓷致密化行為，顯微組織及力學性能的影響71-86
• 5.1 ZrN體系固相反應研究71-75
• 5.2 B_4C含量對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ZrN陶瓷物相的影響75-77
• 5.2.2 B_4C含量對ZrN陶瓷密度及開氣孔率的影響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ZrN陶瓷顯微組織的影響80-82
• 5.3 B_4C含量對ZrN陶瓷力學性能的影響82-84
• 5.4 本章小結84-86
• 結論86-87
• 參考文獻87-91
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文91-93
• 致謝93

【相似文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

1 張吟秋;李美英;雷長明;;彌散強化銅致密化研究[J];中南礦冶學院學報;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;1987年01期

3 王強,赫冀成,張廷安;燃燒合成(CS)過程的致密化研究[J];材料導報;1997年05期

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

5 費誠;;新型粉末冶金氣門座的致密化過程研究[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程的試驗研究[J];金屬科學與工藝;1985年01期

7 李景仁;;高鋁礬土感應爐坩堝的致密化燒結工藝[J];河北工學院學報;1991年02期

8 施劍林;固相燒結——Ⅲ實驗: 超細氧化鋯素坯燒結過程中的晶粒與氣孔生長及致密化行為[J];硅酸鹽學報;1998年01期

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

10 楊海濤，楊國濤,袁潤章;Si_3N_4-MgO-CeO_2陶瓷燒結過程中的致密化與相變[J];清華大學學報(自然科學版);1999年05期

中國重要會議論文全文數據庫 前8條

1 傅正義;;陶瓷材料的SHS超快速致密化技術(英文)[A];《硅酸鹽學報》創(chuàng)刊50周年暨中國硅酸鹽學會2007年學術年會論文集（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）冶金反應工程學會議論文集[C];2009年

3 劉曉明;賀朝君;汪維金;楊寧;朱玉斌;;Mo-15Cu薄板坯液相燒結的致密化行為[A];第六屆中國功能材料及其應用學術會議論文集（2）[C];2007年

4 趙海燕;姚中;虞維揚;黃劍;;燒結FeSiAl致密化過程研究[A];第四屆中國功能材料及其應用學術會議論文集[C];2001年

5 傅正義;;陶瓷與復相陶瓷的超快速致密化技術研究[A];中國空間科學學會空間材料專業(yè)委員會2011學術交流會論文集[C];2011年

6 單英春;徐久軍;朱新河;黃秋鳳;嚴立;;熱壓BN摻雜SiAlON陶瓷的致密化過程研究[A];第六屆中國功能材料及其應用學術會議論文集（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C/C復合材料致密化的影響[A];第十五屆全國復合材料學術會議論文集（上冊）[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研討會論文集[C];2004年

中國博士學位論文全文數據庫 前5條

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

2 劉國承;金屬粉末熱等靜壓致密化數值模擬與試驗研究[D];華中科技大學;2011年

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

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

5 李達;納米和亞微米氧化鈦陶瓷燒結曲線及燒結機理研究[D];青島大學;2008年

中國碩士學位論文全文數據庫 前10條

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

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

3 郭鵬;添加劑及制備工藝對ZrO_2致密化影響的研究[D];機械科學研究總院;2010年

4 綦亮;金屬陶瓷納米復合粉體的燒結和致密化機理[D];山東大學;2008年

5 邵渭泉;α-Al_2O_3的恒速無壓燒結機理研究[D];青島大學;2006年

6 周倩;HfB_2/AlN致密化研究[D];山東理工大學;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;2011年

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

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

10 王勇;SPS制備石墨/銅導電材料燒結機理及微觀界面特征的研究[D];長春工業(yè)大學;2015年

本文編號：613073